Motori Alternativi a Combustione Interna Generalità

Motori Alternativi a Combustione InternaGeneralità

• Storicamente nascono dopo le macchine alternative a vapore (seconda metà del XIX secolo) ma hanno avuto larghissimo sviluppo e conseguente diffusione in questo secolo in molti settori quali la trazione terrestre, la propulsione navale la produzione di energia elettrica.

• I motori a combustione interna alternativi funzionano secondo i principi cinematici e di trasferimento di lavoro della macchine volumetriche alternative che utilizzano il meccanismo biella-manovella


• Caratteristiche peculiari di tali motori sono la notevole varietà di potenze che possono essere ottenute (da qualche centinaio di Watt a circa 4 MW per cilindro) e l’ampia gamma di velocità di rotazione (da 50÷80 ad oltre 12000 giri al minuto)

• Il motore a combustione interna è un motore primo costituito da uno o più cilindri dentro i quali scorrono a tenuta i pistoni collegati mediante altrettanti meccanismi biella-manovella ad un albero motore comune in modo da trasformarne il moto rettilineo in moto rotativo dell'albero stesso.

• I cilindri vengono riempiti ciclicamente da una carica di fluidofresco mediante un opportuno sistema di valvole controllate o diluci.


• Il fluido immesso nei cilindri è costituito da una miscela di aria e combustibile oppure di sola aria alla quale viene successivamente aggiunto combustibile.

• La combustione del combustibile determina un notevole aumento della temperatura e della pressione del fluido motore permettendo allo stesso di compiere un ciclo termodinamico con conseguente cessione di lavoro ai pistoni


• Classificazione dei motori a combustione interna:– motori ad accensione comandata (a benzina) nei quali avviene all’interno

del cilindro la combustione di una miscela tra aria e combustibile giàformata

– motori ad accensione per compressione (a gasolio) per i quali lacombustione interessa una miscela che viene direttamente formata nella camera di combustione.

• In qualsiasi tipo di motore alternativo a combustione interna sisuccedono sempre nello stesso ordine le seguenti fasi di funzionamento:– fase di introduzione: la carica di aria ed eventualmente combustile viene

introdotta (per sola aspirazione naturale o utilizzando un compressore)– fase di compressione: la miscela introdotta viene compressa dal moto del

pistone fino ad un valore funzione di po e del rapporto volumetrico di compressione ρ


– fase di combustione ed espansione: a seguito dell’evoluzione del processo di combustione la pressione si innalza nel cilindro

– fase di scarico: i gas combusti vengono scaricati dal cilindro in modo da favorire il ricambio della carica.

Di tutte queste fasi solo quella di combustione-espansione è una fase attiva cui è associato uno scambio di lavoro positivo mentre tutte le altre sono fasi passive.

• Il ciclo termodinamico nei motori a combustione interna si effettua solitamente in uno o due giri dell'albero motore cui corrispondono due o quattro corse del pistone da qui si deriva l’ulteriore classificazione in – motori a due tempi,– motori a quattro tempi.

Motori a quattro e a due tempi

Motori a combustione interna:Cicli di riferimento

• Ciclo Otto (o Beau de Rochas)

Lid = L3-4 - L1-2 = area 1234

ηidOtto = 1 - 1/ρk-1

1-2 Compressione adiabatica reversibile2-3 Adduzione di calore (Q1) a volume costante3-4 Espansione adiabatica reversibile4-1 Sottrazione di calore (Q2) a volume costante

Motori a combustione interna:Cicli di riferimento

• Ciclo Diesel:

1-2 Compressione adiabatica reversibile2-3 Adduzione di calore a pressione costante3-4 Espansione adiabatica reversibile4-1 Sottrazione di calore a volume costante

( )1111 1 −

−⋅−= − bk

bk

kidDiesel ρη

Confronto tra i cicli a parità di alcuni parametri fondamentali

Confronto a parità di ρ e Q1Il calore Q2 risulta maggiore nel ciclo Diesel rispetto al ciclo Otto e siverifica, quindi, che:

ηidOtto > ηidDiesel

Confronto a parità di Q1 e di Pmax

In questo caso, si può facilmente constatare che il calore sottratto Q2 riferito al cicloDiesel è inferiore a quello sottratto dal ciclo Otto per cui, essendo L = Q1 - Q2 risulta:

ηidDiesel > ηidOtto

Confronto tra i cicli a parità di alcuni parametri fondamentali

Confronto a parità di lavoro utile Lid ed a parità di PmaxEssendo Lid uguale in entrambi i casi ed esprimendo il rendimento con la relazione:

ηid = Lid/(Lid +Qid)

si può constatare che il calore sottratto nel ciclo Diesel (Q2) è, in questo caso, inferiore aquello sottratto nel ciclo Otto, per cui si ha:


Confronto a parità di temperatura e pressione massimeIn tale caso risulta evidente che il calore sottratto Q2 è il medesimo in entrambi i casi mentrela quantità di calore addotta Q1 è maggiore nel ciclo Diesel.Ricordando che:

ηid = Q1-Q2/Q1 = 1 - Q2/Q1

,

risulta


Manovellismo e proprietà geometrichedei motori a combustione interna• Rapporto di compressione

• Legge di spostamento del pistone

morto

mortospazzato

VVV +

=ρ

⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛−−+−=

2/1

22

cos1)1(21 ϑϑρ sin

al

als

Ciclo Reale di FunzionamentoMotore ad accensione comandata 4T

Ciclo Realemotore Diesel 4T

Ciclo RealeMotore Diesel 2T

Motori a c.i. ad accensione comandataFormazione della miscela

• Carburatore:formazione avviene in modo dinamico a causa della depressione provocata da un tubo di Venturi

• Iniezione elettronicala formazione della miscela combustibile è affidata ad un sistema elettronico che in relazione ad un notevole numero di informazioni che derivano dai sensori montati sul motore è in grado di determinare il quantitativo di combustibile da iniettare

Motori Diesel:formazione della miscela

• Motori ad iniezione diretta:il combustile viene iniettato ad alta pressione direttamente all’interno della camera di combustione dove si forma la miscela aria-combustibile

• Motori ad iniezione indiretta:la formazione della miscela combustibile avviene all’interno di una precamera dove viene iniettato il combustibile. In tale precamera avviene un iniziale processo di combustione che innalzando la pressione della camera provoca la fuoriuscita del rimanente combustibile e la sua miscelazione con l’aria contenuta nella camera di combustione principale

Motori Diesel:formazione della miscela

• Sistema di iniezione elettronica ad alta pressione common rail

Bilancio Energetico

Motori a combustione internacalcolo della potenza

• Potenza di un impianto motore termico: gicHmP η&=

igs

gvgivcilindrataa

givcilindrataa

cilindrata

avaa

ac

Hc

HiVC

NCCP

HNiVP

iVmNmmmm

η

ηληεα

λρπ

πω

ηεα

λρ

ρλ

εα

1

1121

60/2

601

60

=

∝=

==

=

=== &&

&

Motori a combustione internai parametri indicati

• Lavoro indicato

• pressione media indicata

• Potenza indicata

• pressione media effettiva

• legame tra pme e pmi

0

5

10

15

20

25

30

Vmorto+VcilindrataVmorto

Pre

ssio

ne [b

ar]

X axis title

( )∑∫ ≅=720

0ϑpAdspdVLi

cilindratai VLpmi /=

ε/60/niVpmiP cilindrata=

iVnPpme

cilindrata

160 ε=

meccanicopmipme η=

Curva Caratteristica

Motori ad accensione comandatale emissioni

• Principali emissioni dei motori a combustione interna ad accensione comandata sono:– ossidi di azoto;– monossido di carbonio– idrocarburi incombusti.

• Le prestazioni del motore così come i livelli di emissione di tali sostanze sono funzione (tra gli altri parametri) del rapporto aria combustibile

• Nel corso degli anni sono cambiate le strategie di controllo di tale grandezza dalla quale dipendono in modo sensibile sia le prestazioni che i consumi e le emissioni

• Allo stato attuale la presenza dei convertitori catalitici richiede una regolazione con λ=1

Motori ad accensione comandatai processi di formazione delle emissioni

inquinanti• Monossido di carbonio

deriva dalla parziale combustione della miscela provocata da un difetto di ossigeno e/o dallo spegnimento della fiamma

• Idrocarburi incombusti:vengono formati a seguito della sottrazione di porzioni di miscela fresca al processo di combustione

• Ossidi di azotoprincipalmente di tipo termico. Si formano per reazione tra l’ossigeno e l’azoto molecolare nella zona ad alta temperatura occupata dai gas combusti

Motori ad accensione comandatagli ossidi di azoto

• Il processo di formazione degli ossidi di azoto è influenzato dalla temperatura e dalla presenza di ossigeno

• L’altra grandezza di influenza fondamentale è il tempo:i valori di concentrazione che si osservano sono superiori a quelli corrispondenti all’equilibrio termodinamico

Sequenza di processidurante il processo di

combustione

Motori ad accensione comandatagli idrocarburi incombusti

Motori ad accensione per compressioneprocessi di formazione delle emissioni inquinanti

Motori a combustione internasistemi di abbattimento delle emissioni

• Motori ad accensione comandata:la necessità di contenere il livello di emissioni ha richiesto una sostanziale modifica delle caratteristiche del motore e l’adozione generalizzata dei convertitori catalitici. I convertitori catalitici sono dei reattori chimici sulle cui pareti sono depositate sostanza catalizzatrici delle reazioni di ossidazione e di riduzione (Pt, Pa, Rd)Per gli ossidi di azoto si usa talvolta la ricircolazione dei gas di scarico (EGR)

• Motori ad accensione per compressione:per questi motori si adottano più elevate pressione di iniezione (particolato) e ricircolazione dei gas di scarico (NOx). In alcuni casi si sono utilizzati convertitori catalitici ossidanti per trattare parzialmente il particolato.

Confronto tra ciclo reale e ciclo ideale,Motore ad Accensione Comandata

Ciclo indicato

Fasatura

Confronto tra Ciclo ideale e realemotore ad accensione per compressione

Schema sistema di iniezione

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