2.2 Elementi costitutivi del motore
2.2.1 Architettura del motore, cicli termodinamici e caratterizzazione
L’elemento principale del motore è appunto il pistone che scorre all’interno del cilindro. I motori possono avere uno o più pistoni, e l’insieme dei cilindri al cui interno essi scorrono, costituiscono il monoblocco del motore.
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La combustione non avviene istantaneamente, ma richiede un certo intervallo di tempo. Se questa avvenisse quando il pistone si trova al PMS, avverrebbe mentre il pistone è già in fase di allontanamento, con perdite della pressione e del lavoro utile. Per questo si anticipa l’accensione della candela o dell’iniezione del gasolio, quando il pistone sta arrivando in prossimità del PMS Ciò provoca rispetto al ciclo ideale, delle perdite di lavoro, tuttavia inferiori a quelle che ci sarebbero, se non si procedesse all’anticipo dell’accensione
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Come per il Rif.31, nel ciclo teorico si presuppone che l’espulsione dei gas della combustione avvenga nell’istante in cui il pistone raggiunge il PMI Nella realtà ciò ha bisogno di un tempo finito, necessario all’apertura della valvola di scarico e all’estrazione della valvola di gas. Per questo, l’apertura della valvola di scarico è anticipata prima che il pistone raggiunga il PMI, con conseguente perdita del lavoro utile, tuttavia contenuta rispetto a quella che ci sarebbe senza anticipo dello scarico
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Il monoblocco è a sua volta sostenuto dal basamento e chiuso dalla testata, sulla quale troviamo le “luci” delle valvole di aspirazione e di scarico e la sede della candela di accensione, nel caso dei motori ad accensione comandata o dell’iniettore, se il motore è invece Diesel.
Il pistone o i pistoni, attraverso un sistema biella-manovella36, pongono in movimento l’albero motore o albero a gomiti. Quest’ultimo, oltre a trasmettere il moto al sistema di trasmissione, pone in rotazione, anche l’albero della distribuzione o albero a camme, che comanda l’apertura e la chiusura delle valvole sulla testata.
Gli altri parametri, geometrici e non, che caratterizzano un motore, sono il numero dei cilindri e la loro disposizione, l’alesaggio, cioè il diametro interno dei cilindri, la corsa o distanza tra le due posizioni estreme PMS e PMI, la cilindrata unitaria o volume del cilindro compreso tra le posizioni di cui prima, la cilindrata totale, cioè il prodotto tra il volume unitario del cilindro e il numero degli stessi e il volume della camera di combustione, e cioè la regione di spazio compresa tra la testata e lo stantuffo, quando questo si trova al PMS.
Tuttavia il parametro più importante risulta essere il ciclo operativo, che può essere a quattro o due tempi. Come accennato, il ciclo di funzionamento di un motore endotermico alternativo è periodico, in quanto deve ritornare alla condizione iniziale affinché possa ripetere un nuovo ciclo. Ciò si rende evidente con il moto alternativo del pistone, che appunto sale e scende all’interno del cilindro.
Durante questa attività avvengono nel cilindro, le seguenti fasi: 1. Aspirazione della miscela aria-carburante nel cilindro; 2. Compressione della miscela;
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La biella e la manovella costituiscono il manovellismo di spinta rotativa, comunemente conosciuto come meccanismo biella-manovella è un sistema per la trasformazione di moto rettilineo in circolare e viceversa. Trova larghissima applicazione in numerosi elementi meccanici, dai motori a pistoni (endotermici e non) ai sistemi di chiusura delle presse da stampaggio
3. Accensione della candela e combustione della miscela con successiva espansione del fluido che spinge il pistone verso il basso, producendo così il lavoro motore;
4. Scarico dei gas della combustione.
Queste fasi che si realizzano in un motore ad accensione comandata, sono rappresentate in buona approssimazione mediante le trasformazioni che avvengono nel ciclo otto.
Altra distinzione dei motori alternativi, è quella tra i motori a quattro tempi e quelli a due tempi. Nei primi, il periodo con cui si svolge l’intero ciclo, consta di quattro corse del pistone; due di andata e due di ritorno. Nei motori a due tempi invece, il periodo è corrispondente a due corse del pistone, cioè una di andata ed una di ritorno.
Ne consegue che i propulsori a due tempi, compiono l’intero ciclo con un giro dell’albero motore, mentre i quelli a quattro tempi, con due giri. Questo perché le fasi di aspirazione e di compressione, avvengono durante la stessa corsa del pistone, e cioè dal PMS al PMI, mentre le fasi di espansione e scarico, sempre nella stessa corsa del pistone, si realizzano quando il pistone passa dal PMI al PMS.
Ciò è reso possibile dall’architettura del motore a due tempi, che presenta al posto delle valvole, due luci per l’aspirazione e lo scarico che vengono aperte e chiuse dal pistone in movimento.
I tempi del ciclo a due tempi sono pertanto:
1. combustione – espansione – scarico (I Fase); 2. scarico – aspirazione – compressione (II Fase).
Per quanto riguarda i rendimento, e cioè la quantità di energia termica che genera lavoro utile, si ottiene dal prodotto dell’Equazione 2.
Figura 15 Architettura di un motore a due tempi
Figura 16 Fasi di un motore a due tempi
1
EQ
L
e m i id×
×
=
=η
η
η
η
dove:? rendimento totale di un motore; ?id rendimento del ciclo ideale;
?i rendimento indicato;
?m rendimento meccanico;
Le lavoro effettivo disponibile;
E equivalente energetico della caloria.
Tabella 6 Rendimenti dei motori
I valori dei rendimenti totali delle tipologie di motori, sono riportati nella Tabella 6. Da questa si evince come i rendimenti maggiori sono riscontrabili nei motori Diesel piuttosto che in quelli alimentati a benzina.
In realtà il rendimento di un motore ad accensione spontanea è inferiore a quello del motore ad accensione comandata, ma in virtù del fatto che il primo presenta rapporti di compressione superiori, a parità di calore Q1 somministrato, il rendimento totale risulta
esserne avvantaggiato.
Gli altri parametri del motore che lo caratterizzano, sono la potenza, la coppia ed il consumo specifico.
La potenza effettiva di un motore è la potenza realmente disponibile all’albero motore e cioè il lavoro effettivo ottenuto nell’unità di tempo.
i m e e
W
t
L
W
=
=η
dove: We potenza effettiva [kW]; ?m rendimento meccanico; Wi potenza indicata [kW]; Le lavoro effettivo [J]; t tempo [s].Equazione 3 Potenza effettiva
Per ottenerla è necessario conoscere il rendimento meccanico (Tabella 6) e la potenza indicata, Wi. Per arrivare a quest’ultimo parametro è necessario valutare il lavoro
Tipologia di Motore Rapporto di compressione37
Rendimento totale Motore ad accensione comandata a 4 tempi 6 ÷ 10 0,25 ÷ 0,30 Motore ad accensione comandata a 2 tempi 5 ÷ 9 0,20 ÷ 0,27 Motore ad accensione spontanea a 4 tempi 14 ÷ 22 0,30 ÷ 0,40 Motore ad accensione spontanea a 2 tempi 11 ÷ 20 0,27 ÷ 0,36
ω
×
=
C
P
del ciclo indicato (Figura 13 e Figura 14) che è dato dall’area di tale ciclo. Il calcolo può essere fatto per via integrale oppure considerando la pressione media indicata38, o p.m.i.
(
)
(
)
i
Z
n
V
V
P
W
C
D
P
V
V
P
pdv
L
i mi mi i mi×
×
×
−
=
×
⋅
=
−
=
=
∫
60
;
4
1 2 2 2 1π
dove: Li lavoro indicato [J];Wi potenza indicata di un motore [kW];
p.m.i pressione media indicata [kPa];
V1 volume del cilindro quando il pistone è al punto morto inferiore [dm
3
];
V2 volume del cilindro quando il pistone è al punto morto inferiore[dm
3
];
D alesaggio [m]; E corsa [m];
n numero di giri al minuto;
Z costante che vale 1 per i motori a due tempi e 2 nei motori a quattro tempi; i numero dei cilindri.
Equazione 4 Equazione della potenza indicata
Un altro modo di poter valutare la potenza effettiva, è attraverso le curve caratteristiche del motore39. Per questo è necessaria una attività sperimentale condotta su un banco prova, costituito da un freno dinamometrico in grado da “arrestare” il moto del propulsore. Dalla meccanica è noto infatti che un motore posto su un banco di prova può erogare potenza soltanto se è presente un dispositivo in grado di assorbirla, appunto il freno. La potenza di un motore (rapidità con cui viene compiuto un certo lavoro) è calcolata con l’Equazione 5.
dove:
P potenza effettiva [kW]; C coppia40 [N×m];
? velocità angolare dell’albero motore.
Equazione 5 Potenza del motore
Dall’equazione è evidente come il valore della potenza varia in funzione della velocità dell’albero motore e della coppia ad un determinato regime. Per quanto riguarda ? , si
38
P.m.i. è il valore di pressione medio che si riscontra all’interno del cilindro, durante la corsa del pistone
39
Le curve caratteristiche di un motore sono quelle della coppia, quella della potenza e quella del consumo specifico. Nota i valori di coppia ad un certo regime, si possono estrapolare i valori di potenza
40
60
/
;
2
f
f
=
n
=
π
ω
I
t
d
d
C
C
m−
r=
ω
×
ottiene dall’Equazione 6 e cioè è in funzione del numero di giri dell’albero a gomiti, mentre la coppia, sperimentalmente, si valuta ponendo la macchina al banco di prova.
dove:
? velocità angolare [rad/s]; f frequenza di rotazione;
n numero di giri dell’albero motore al minuto41. Equazione 6 Velocità angolare
La determinazione del valore di coppia al banco di prova, si basa sull’equazione della meccanica (Equazione 7), secondo la quale la coppia motrice diminuita della coppia resistente prodotta dal freno dinamometrico, deve essere uguale alla variazione della velocià angolare dell’albero motore in funzione del tempo, per il momento di inerzia del motore.
La curva caratteristica di coppia di un motore vi ene calcolata empiricamente portando il motore al numero di giri massimo (tutta manetta) e applicando con il freno delle coppie resistenti via via crescenti, aspettando che il numero di giri sia costante. Infatti con n = cost , d? / dt è uguale a zero (cioè la velocità angolare rimane costante nel tempo) e perciò l’Equazione 7 diventa (Equazione 8):
dove:
Cm coppia motrice [N?m];
Cr coppia resistente[N?m];
d? variazione della velocità angolare [rad/s]; dt variazione del tempo [s];
(d? / dt rappresenta l’accelerazione angolare nel tempo)
I momento di inerzia.
Equazione 7 Equazione della coppia motrice
r m r
m
C
C
C
C
−
=0
;
=
Equazione 8 Valutazione sperimentale del valore di coppia motrice
41
) ( ) ( t t S
L
C
C
=
In queste condizioni di regime, la coppia resistente applicata corrisponde alla coppia motrice. Rilevando perciò il valore di forza applicata dal freno, dal quadrante dello stesso, e moltiplicandola per il valore del braccio del dinamometro, si ottiene il valore di coppia resistente, che corrisponde a quello della coppia motrice, per le ragioni appena viste.
dove:
CS rappresenta il consumo specifico (g/kWh);
C(t) rappresenta il consumo misurato nel tempo t della prova;
L(t) rappresenta il lavoro compiuto dalla macchina in tale di tempo, che viene
determinato in funzione della potenza, in base alla formula:
L = P × t [kWh]
dove:
P é la potenza della macchina (kW); t rappresenta il tempo di prova (h).
Equazione 9 Valutazione del consumo specifica
Una volta calcolata la coppia C oltre a derivare la curva della potenza è possibile valutare anche l’andamento del consumo specifico CS (spesa energetica per ottenere l’unità di energia erogata che viene espressa in g/kWh ) che decresce con l’aumentare del carico e presenta un minimo tra il regime di potenza massima ed il regime di coppia massima. La formula che ci consente di calcolare il consumo specifico è quella riportata nell’Equazione 9.