CICLO OTTO

Si tratta di uno dei cicli termodinamici più utilizzati ed è il ciclo di riferimento per i motori a benzina.

E’ proprio la caratteristica del combustibile alla base della concezione di questo motore. La benzina, infatti, è una frazione petrolifera leggera ed evapora facilmente.

Ciò consente di ottenere con relativa semplicità (mediante i carburatori) miscele di aria (comburente) e vapori di benzina (combustibile) da utilizzare all’interno dei cilindri dei motori per ottenere energia dai prodotti di combustione. Si vedrà che la miscela di aria e vapori di benzina non può essere compressa a piacimento perché, con l’innalzarsi della temperatura adiabatica di compressione, si ha il raggiungimento del punto di autoaccensione che provoca i fenomeni di

detonazione anticipata (si dice che il motore picchia) che risultano dannosi sia per gli stessi motori

sia per lo scarso rendimento globale che si ottiene.

I motori commerciali hanno rapporti di compressione (che fra poco definiremo) variabili fra 5 e 8 e le benzine utilizzate hanno numeri di ottani76 compresi fra 9496. I motori aeronautici hanno

NO notevolmente più elevati per consentire la costruzione di motori più compatti e leggeri.

Si osservi che non si ha alcuna convenienza ad usare benzine con NO più elevati di quelli che il rapporto di compressione consente, mentre l’uso di benzine con NO inferiori a quelli minimi richiesti possono provocare malfunzionamenti e danneggiamenti vari.

Ciclo Termodinamico

Esso si compone, vedi Figura 86, di una compressione isoentropica, sempre con riferimento al ciclo ideale ad aria standard, seguito da una combustione interna isocora, mediante scoppio

76 Il Numero di Ottani è riferito al rapporto, espresso in percento, fra il punto di autodetonazione di una miscela di aria con iso-ottano normale e la miscela di benzine utilizzate. In commercio si hanno benzine contenenti composti aromatici ciclici e non lineari (come l’iso-ottano) e ciò comporta un abbassamento del punto di autodetonazione. Si aggiungono additivi chimici di vario genere per incrementare il punto di autodetonazione. Le benzine commerciali hanno NO variabile fra 0.04 e 0.96. Le benzine per motori aeronautici hanno valori di NO=130160 e quindi sono fortemente additivate per potere avere motori di minore dimensioni e peso a pari potenza.

attivato da una scarica elettrica, seguita da una fase utile di espansione e poi di una fase di scarico dei prodotti di combustione in atmosfera ancora isocora.

Le fasi di scambio di calore con l’esterno sono qui supposte reversibili ma occorre precisare che, avvenendo a temperatura non costante, esse sono esternamente irreversibili. Ciò significa che si ha, comunque si operi, una forte penalizzazione termodinamica rispetto al ciclo ideale di

Carnot, così come si è osservato a proposito del ciclo Rankine e Hirn.

Questo ciclo, come pure il ciclo Diesel e quello Joule-Bryton dei quali si parlerà fra poco, consente la rigenerazione termica con maggiore facilità rispetto al ciclo a vapore.

Si osserva, infatti, che dopo la fase utile di espansione il fluido di lavoro (gas combusti) si trovano ad una temperatura ancora sufficientemente elevata (variabile fra 300 e 450 °C) e quindi tale da consentire un recupero energetico.

Il rendimento di questo ciclo può essere calcolato facilmente. Infatti si ha: 1 ^DA BC Q Q   0 A B C D v p Q1 Q2 L+ L-ESPANSIONE COMPRESSIONE SCOPPIO SCARICO RIEMPIMENTO - SVUOTAMENTO

Figura 85: Ciclo Otto nel piano (p,v)

Per le due trasformazioni isocore si possono scrivere le relazioni:

 

 

ove, si ricordi, si ha la costanza dei calori specifici a volume costante perché l’aria standard è supposta comportarsi come un gas ideale. Sostituendo nell’espressione del rendimento si ha:

1 D A C B T T T T   ^ 

Questa espressione va bene da un punto di vista termodinamico ma non viene utilizzata in campo motoristico perché non evidenzia i parametri meccanici e costruttivi dei motori a scoppio. Definito il rapporto di compressione rv = vA/vB si può scrivere per le due isoentropiche:

1 1 k k C B A v A D B T T v r T T v      _{ }   

Pertanto applicando la regola dello scomponendo ai primi due rapporti e tenendo conto dell’espressione del rendimento si ottiene la seguente relazione:

1 1 1 _k v r    _ (198) A B C D Combustione a volume costante Scarico a volume costante Lavoro di compressione Lavoro utile di espansione s T

Figura 86: Ciclo Otto per motori a benzina

I valori di rendimento che si ottengono normalmente sono compresi fra il 16 e il 24% e quindi bassi rispetto ai valori ottenibili con un ciclo ideale di Carnot. Il rendimento del ciclo Otto cresce, quindi, con il crescere del rapporto volumetrico.

Purtroppo non possiamo avere valori elevati (di norma questi variano fra 6 e 10 e nei motori da competizione si raggiunge 1517) perché la temperatura a fine fase di compressione, TB, non può superare quella di autoaccensione delle benzine iniettate nel cilindro.

Oggi usiamo benzine additivate con benzene o altre sostanze (additivi quali il piombo tetraetile o tetrametile erano utilizzate per le benzine non verdi ora messe al bando nella U.E.) capaci di innalzare il punto di detonanza ma pur tuttavia, comprimendo contemporaneamente aria e vapori di benzina, non si può andare oltre i limiti raggiunti.

Per superare il problema della detonazione si usano motori a benzina ad iniezione e quindi con un concetto di funzionamento simile a quello dei cicli Diesel che comprimono inizialmente solo aria e poi iniettano il gasolio mediante una pompa ad iniezione.

I cicli reali Diesel e Otto risultano alquanto modificati rispetto ai cicli ideali sopra indicati per varie ragioni fra le quali, si ricorda:

 Compressione ed espansione reali (politropiche) dei fluidi;

 Comportamento della miscela di gas diverso dall’aria standard e quindi con calori specifici variabili alle varie pressioni e temperature;

 I prodotti di combustione presentano fenomeni di dissociazione ad elevate temperature;  I fenomeni di accensione e combustione avvengono in intervalli di tempo non trascurabili e

quindi non istantanei;

I cicli reali si allontanano molto da quelli ideali qui descritti, come indicato in Figura 87. Si osservi come le fasi di riempimento e di svuotamento non sono più coincidenti (caso teorico) ma costituiscono una sorta di ciclo negativo (lavoro perso) prima per riempire il cilindro (depressione) e poi per svuotarlo (sovrapressione).

Le fasi di compressione e di espansione non sono più isoentropiche ma politropiche con indice n diverso da quello di adiabacità dell’aria standard (k = 1.4) sia perché la trasformazione si allontana da quella ideale che per la diversa composizione dei gas di combustione rispetto alla miscela iniziale di aria e vapori di benzina. La fase di scoppio avviene non più istantaneamente (volume costante) bensì in un piccolo intervallo di tempo durante il quale, per effetto dello spostamento del pistone (anticipo all’accensione e posticipo di fine combustione) assume un andamento curvilineo.

La stessa osservazione si può fare per la fase di scarico che avviene a volume variabile. In definitiva il ciclo reale appare piuttosto deformato rispetto a quello ideale, interno a questo e di area inferiore. Pertanto il lavoro netto reale è inferiore (anche molto) rispetto a quello ideale.

0 A B C D v p Q1 Q2 L+ L-ESPANSIONE COMPRESSIONE SCOPPIO SCARICO RIEMPIMENTO - SVUOTAMENTO

Figura 87: Ciclo Otto reale nel piano (p,v)

La forma del ciclo reale è detta a scarpetta e si intuisce come l’inviluppo esterno (ideale) sia solo una idealizzazione necessaria per lo studio termodinamico del ciclo Otto. Nei cicli reali si definisce la pressione media del ciclo come la pressione che moltiplicata per la cilindrata fornisce il lavoro netto reale. Questa può essere calcolata facilmente per via grafica o numerica una volta noto il ciclo reale. Maggiori dettagli sul ciclo Otto sono rimandati al corso di Macchine Termiche.