DESCRIZIONE DEL SISTEMA
2.2 Motore a combustione interna
2.2.1 Gen er alità sui m otori alt ernat
Nonost ant e la sua semplicità, il motore alternativo, norm alm ente con una confi gurazione pistone -cilindro, è una dell e rare invenzioni che si è mostrat a molt o versatil e e trova appl icazioni in m olt epl ici s ettori. Questo mot ore è u tilizzat o nelle automobili, ne i m ezzi pes ant i, nei veli voli l eggeri , nell e navi , com e generat ori el ett ri ci sopratt ut to nei casi di emergenz a, et c.
In Fi gura 2.2 è m ost rat o il sist em a pi stone -cilindro. Il pistone si muove con moto alternativo all’interno del cilind ro tra due posizioni fisse e ben definit e che prendono il nome di Punto Mort o Inferiore (P MI o Bottom
Dead Cent er – BDC), cioè la pos izione in cui il pis tone perm ett e di incam erare il maggi or volum e possi bile all ’int erno del cili ndro, e di Punto Morto S uperi ore (PMS o Top Dead Cent er – TDC), dove il pist one perm ett e al cili ndro di cont enere il mi nor vol ume pos sibil e. La di st anza tra i punti m ort i prende il nom e di cors a e il di amet ro del pis tone prende il nome di alesaggio. L’aria o la miscela aria -combustibile fluisce all’interno del cilindro attraverso la valvola di aspirazione, mentre i prodotti dell a com bustione sono espulsi attraverso l a valvol a di s cari co.
F i g . 2 . 2 : S i s t e m a p i s t o n e - c i l i n d r o [ 5 ] .
Il volume mini mo che si form a nel cilindro quando il pistone è al punt o mort o superiore vi ene chi am ato spazio m orto, m ent re il volume spost ato dal pistone quando si muove t ra i punti morti è detto cilindrata. Il rapporto form ato t ra il volum e massimo che può ess ere racchi uso nel cilindro e l o s pazio morto vi ene indicato con r e prende i l nom e di rapporto volum et rico di com pressione.
𝑟 =𝑉𝑚𝑎𝑥
Un’altra grandezza utilizzata per i motori alternativi è la pressione medi a effettiva, indicat a con 𝑝𝑚𝑒. La pressi one media effetti va rappresent a u na pressione fittizi a che, se agiss e s ul pis t one durant e l’intera fase di espansione, produrrebbe lo stesso lavoro netto prodotto nell’espansione reale 𝑝𝑚𝑒 = 𝐿𝑛 𝑉𝑚𝑎𝑥 − 𝑉𝑚𝑖𝑛 = 𝑙𝑛 𝑣𝑚𝑎𝑥− 𝑣𝑚𝑖𝑛 (2.2)
I motori alt ernativi poss ono essere cl ass ifi cat i in mot ori ad accens ione com andat a e motori ad accensione s pont anea. Nei m otori ad accensione com andat a, l a combustione dell a miscel a ari a -com bus tibil e è innes cata dall o s cocco di una scintill a. Nei mot ori ad accensi one s pont anea, l a miscel a ari a -combus tibil e si incendia, innescando l a combust ione, com e il risultato dell’immissione del combustibile nell’aria compressa dal pistone che si t rova ad una tem peratura t al e da permettere l’autoaccensione.
In questa tesi verrà preso in considerazione l’utilizzo di un motore termico ad accensione com andat a a quat tro cilindri , per cui risul ta utile una descrizione del ci clo Otto, che risul ta ess ere il ci clo ideale per i l motore ad accens ione com andat a.
2.2. 2 Ci clo ott o
Il ci clo per i mot ori ad accensi one com andat a prende i l nome da Nikol aus A. Ott o che riuscì, nel 1876 in Germ ani a, a cost rui re un m otore quattro tem pi util izzando il ci cl o present ato ne l 1862 da Frenchm an Beau de Rochas. Nei mot ori a combustione int erna a 4 tem pi il cilindro compi e quattro corse ogni ciclo termodinamico mentre l’albero compie due rot azioni . In Fi gura 2.3 è most rato, insiem e ad una schematizzazione dell e varie fasi del ciclo Otto, i l di agramm a p-V di un motore ad accensione comand at a quattro t empi .
F i g . 2 . 3 : C i c l o O t t o r e a l e [ 5 ] .
Inizi alm ent e ent rambe l e valvole di aspi razione e s carico sono chi use e i l pistone è al punto mort o inferiore. Durant e l a fas e di com pressi one, il pistone si muove verso l’alto comprimendo la miscela di aria- com busti bil e. Qualche ist ante prim a che il pis tone raggiunga l a s ua posizione più alt a, viene i nnescata una scintill a da una candel a provocando l’accensione della miscela aria -combustibile, innalzando sia la press ione che la tem peratura del si stem a. L’alta pressi one del gas spinge il pistone verso il basso, provocando una rotazione sull’albero e quindi generando lavoro uti le in uscita; quest a fase prende il nom e di espansione. Giunt i alla fine di quest a fase, il pist one è nuovam ent e al punto morto inf eri ore, compl et ando il pri mo ciclo m eccani co; il cili ndro a questo punt o racchiude al suo interno i prodotti dell a com bustione. A questo punto i nizi erà l a fase di scari co dove il pi st one t ornerà nuovam ent e a muoversi verso il punto m orto superiore, elimi na ndo i gas di combustione attraverso l’apposita valvola. Infine, una volta com plet at a l a fas e di scari co, il pistone tornerà nuovam ente a scendere verso il punto m orto inferiore per i niziare una nuova fas e, chiam at a fas e di as pi razione, aspi rando una mis cel a ari a -combusti bile “fresca” per rincominciare il ciclo termodinamico. E’ da notare come nel ciclo reale durant e l a fase di aspirazione l a pressi one i nt erna del cil i ndro ri sult a leggerm ent e i nferiore rispett o a quel la atmosferi ca, m ent re nell a fase di scari co è l eggerm ent e s uperi ore.
tempi non risulta semplice. Nonostante ciò, l’analisi si può semplificare facendo ri ferim ento ad un cicl o di aria s tandard. Il ci clo che ne deriva descrive co n una buona appros sim azione le condizi oni reali operative e prend e il nom e di ciclo Ot to ideal e. Il ci clo Ott o i deal e, m ostrat o si a nell a Fi gura 2.4 nel diagramm a p -V che nell a Fi gura 2.5 nel diagramm a T-s , consist e i n una serie di quatt ro tras form azioni r eversi bili :
1) 1-2 Compressi one i s oentropi ca.
2) 2-3 Sommi nist razi one di cal ore a vol ume speci fi co costant e. 3) 3-4 Es pansione is oentropica.
4) 4-1 Sott razione di calore a volum e specifi co cost ant e.
F i g . 2 . 4 : C i c l o O t t o i d e a l e : d i a g r a m m a p - V [ 5 ] .
Il ciclo Otto è es eguito in un si stema chi uso e, t ras curando l e vari azioni di energi a cineti ca e potenziale, il bilanci o di energi a per ogni trasform azione può essere espresso, i n t ermini di unità di mass a com e:
(𝑞𝑖𝑛− 𝑞𝑜𝑢𝑡) + (𝑙𝑖𝑛− 𝑙𝑜𝑢𝑡) = 𝛥𝑢 (2.3)
Durante i processi di scambio termico non c’è scambio di lavoro da parte del sist em a in quant o avvengono a volume s peci fi co cos tant e. P er quest o motivo il t rasferim ento di cal ore da e per il fluido evol vente possono essere espress e com e:
𝑞𝑖𝑛= 𝑢3− 𝑢2 = 𝑐𝑣(𝑇3− 𝑇2) (2.4) 𝑞𝑜𝑢𝑡 = 𝑢4− 𝑢1 = 𝑐𝑣(𝑇4− 𝑇1) (2.5)
Il rendimento del ciclo Otto ideale sotto l’ipotesi di fare riferimento ad un ci clo di aria st andard risulta ess ere
𝜂𝑡ℎ,𝑂𝑡𝑡𝑜 = 𝑙𝑛 𝑞𝑖𝑛= 1 − 𝑞𝑜𝑢𝑡 𝑞𝑖𝑛 = 1 − 𝑇4− 𝑇1 𝑇3− 𝑇2 = 1 − 𝑇1(𝑇4/𝑇1− 1) 𝑇2(𝑇3/𝑇2− 1) (2.6)
I processi 1 -2 e 3-4 s ono i soent ropici e 𝑣2 = 𝑣3 e 𝑣4 = 𝑣1.
𝑇1 𝑇2= ( 𝑣2 𝑣1) 𝑘−1 = (𝑣3 𝑣4) 𝑘−1 =𝑇4 𝑇3 (2.7)
Sostituendo e sem pli ficando nell a equazi one (2.6) si ottiene
𝜂𝑡ℎ,𝑂𝑡𝑡𝑜 = 1 − 1 𝑟𝑘−1 (2.8) 𝑟 =𝑉𝑚𝑎𝑥 𝑉𝑚𝑖𝑛 = 𝑉1 𝑉2 = 𝑣1 𝑣2 (2. 9)
con r rapporto volumet rico di com pres sione e k il rapport o dei calori speci fi ci 𝑐𝑝/𝑐𝑣.
Nel ci clo Ott o real e chi aram ente si ha un rendim ento inferiore rispetto al ci clo ideal e a causa dell e irreversibilit à, com e ad esempio l’attrito, e ad alt ri fattori, come per es empi o l a com bust ione incom pl et a.