Anno: 5 Periodo: 1
Impegno (ore): lezioni: 80 esercitazioni: 30 Docente: Carlo Vincenzo FERRARO
laboratori: 6 (nell'intero periodo)
PRESENTAZIONE DEL CORSO
Scopo del corso è lo studio dei motori termici adatti alla trazione. Le nozioni già acquisite al riguardo nei precedenti corsi diMacchinevengono approfondite e completate con nozioni più specifiche. TI corso comprende una parte descrittiva, dedicata all'analisi della costituzione di particolari motori o di loro particolari apparati, ed una parte a carattere formativo dedicata allo studio sia di problemi caratteristici dei motori termici per trazione, sia delle nozioni di base per la loro progettazione dal punto di vista termofluidodinamico.
REQUISITI
Sono propedeutiche le nozioni acquisite inMacchine1e2, oppure inMacchine.
PROGRAMMA
- Generalità, cIassificazione,jasi, rendimenti, prestazioni dei motori.[circa 15 ore]
Classificazione delle macchine a fluido. Classificazione dei motori alternativi in base alle carat-teristiche di funzionamento, alle caratcarat-teristiche cinematiche, in base ai tempi.
Cicli Otto, Diesel, Sabathè limiti.
Varie fasi di funzionamento dei motori a 4T e 2T e scostamento dai cicli limiti.
Limiti di e ePffiaxnei motori Otto e Diesel.
Incidenza delle laminazioni all'aspirazione su ho e su
"v
Posticipo di chiusura della valvola di aspirazione: incidenze suÀve sulla caratteristica meccanica.
Confronto caratteristica meccanica Diesel-Otto.
Richiami sul rendimento limite, sul rendimento termodinamico interno e sul rendimento orga-nico e sulla prne al variare della dosatura e della velocità angolare.
- Apparati della distribuzione[circa 4 ore]
Apparati della distribuzione a valvole comandate: necessità dell'uso delle molle.
Valvole comandate: incidenza delle molle sul rendimento organico.
Valvole desmodroniche. Punterie idrauliche.
Regolazione dei motori Otto per chiusura anticipata della valvola di aspirazione.
Apparati della distribuzione a scorrimento continuo (cenni).
Terrnodinamica e termofisica dei sistemi continui[circa 8 ore]
Punto di vista sostanziale e locale, parametri necessari per definire lo stato di un sistema.
Calcolo del lavoro di superficie.
Primo principio della termodinamica in forma sostanziale. Relazioni termiche e meccaniche fra sistema e esterno.
Applicazione del primo principio della termodinamica alla fase di aspirazione dei motori alter-nativi a 4T: calcolo delÀvsemplificato.
Combustione adiabatica a volume costante, completa e senza variazione di energia cinetica.
Potere calorifico inferiore e superiore a volume costante. Applicazione diHival calcolo della T3.Variazioni diHivcon la temperatura.
Combustione a volume costante con scambi di calore, energia cinetica, dissociazione, incomple-tezza di combustione. Combustione con lavoro di superficie. Combustione nel caso più generale.
Combustione a pressione costante.
Confronto fraHpe~e T3pe T3v'
78
Relazione fraQ,fpdv e Lwm•Secondo principio della termodinamica.
Principiodiconservazione dell'energia in forma locale. Applicazioneaimoti permanenti e ciclici.
Combustione stazionaria a pressione variabile.
Alberi a gomito [circa 8 ore]
Forze e momenti agenti sul motore alternativo. Utilità dell'equilibramento.
Regolarizzazione del momento motore. Uniforme sfasamento delle manovelle, effetto sulla risultante delle forze centrifughe.
Forze d'inerzia: contributi del primo e del secondo ordine. Regole di simmetria.
Disposizione longitudinale delle manovelle per le varie categorie di motori in linea.
Equilibramento di forze o momenti residui con masse su alberi supplementari.
Motori a V: regola della rotazione parziale, conservazione del momento motore, relazione fra le forze d'inerzia di cilindri nello stesso piano trasversale.
Motori stellari e motore "boxer".
Ordine di accensione.
Alimentazione dell'aria [circalOore]
Avnei motori a 4T: fattori che lo influenzano, fenomeni dinamici, rifiuto, fughe. Influenza degli scambi termici, della temperatura ambiente, delle laminazioni, formula semplificata.
Avnei motori a 4T: estrapolazioni semplici dei diagrammi sperimentali diAv' "gulp factor"
(cenni), modelli numerici perilcalcolo.
Avnei motori a 4T: legge di alzata delle valvole, numero di valvole per cilindro.
Avnei motori a 2T: generalità, schemi di lavaggio, analisi del processo di lavaggio.
Aved h1vnei motori a 2 tempi al variare del coefficiente di lavaggio e delAvlimite, zone di lavo-ro degli Otto e dei Diesel.
Motori Otto 2T: particolarità costruttive, ciclo delle pressioni nel carter.
Alimentazione del combustibile [circa 18 ore]
- Alimentazione del combustibile nei motori ad accensione comandata:
Dosature richieste e requisiti generali, problemi di ripresa, dosatura di saturazione e problemi diavviamento a freddo.
Carburatore elementare, a getto annegato, ad aria antagonista.
Iniezione nei motori Otto: generalità, classificazione. Confronto fra carburazione e iniezione, fra iniezione diretta e indiretta. Parametri di controllo degli apparati di iniezione per Otto.
Apparato di iniezione meccanica K-Jetronik.
Apparati di iniezione elettronica: iniettori usati, alimentazione dell'iniettore.
Iniettori elettromagnetici: andamento nel tempo delle correnti, metodi per accelerare l'apertura e la chiusura, andamento nel tempo delle masse iniettate. Cenni sulle masse iniettate al variare del tempo di eccitazione edaiproblemi di non linearità.
Apparato di iniezione elettronica Motronic. Apparato di iniezione elettronica D-Jetronic (cenni).
- Alimentazione del combustibile nei motori ad accensione per compressione:
Problemi di polverizzazione: necessità di iniettori ad apertura automatica edivalvole automa-tiche sulla mandata della pompa. Necessitàdiutilizzare la parte centrale della corsa delle pompediiniezione alternative.
Sistemi di iniezione meccanica basati sul principio della pompa Bosch.
Combustione [circa 18 ore]
- Generalità:
Velocità di reazione e temperatura di accensione. Formazione dei perossidi. Macchine a com-pressione rapida e tempi di induzione. Relazione fra tempi di induzione e tempi di accensione in compressioni graduali. Temperatura di accensione. Accensione spontanea: ottimizzazione per una specificata velocità angolare. Combustibili per motori ad accensione comandata e ad accensione per compressione.
- Combustione nei motori ad accensione comandata:
Parametri che influenzano la velocità di propagazione della fiamma.
Anomalie di combustione: generalità, preaccensione, autoaccensione, rombo (cenni), misfiring (cenni).
Detonazione: generalità, teoria dell'autoaccensione dell'end-gas e dell'onda esplosiva, danni mec-canici ed energetici, distribuzione dell'intensità di detonazione, individuazione dell'incipiente detonazione, controllo dell'anticipo di accensione. Influenza dei parametri geometrici, ambientali, del rapporto di compressione, dei vari parametri di funzionamento, del carburante, degli additi-vi, della velocità angolare e di più parametri di funzionamento variabili simultaneamente.
Metodi di misura Research e Motor. Metodo Union Town.
Metodi di misura non convenzionali dell'intensità di detonazione ad alta velocità angolare a regime costante.
Richiesta ottanica dei motori.
- Combustione nei motori ad accensione per compressione:
Ritardo all'accensione, andamento delle pressioni, delle masse iniettate e bruciate, parametri che influenzano la ruvidezza, ruvidezza al variare della velocità angolare. Numero di cetano.
Fumosità, limiti di dosatura, problemi di polverizzazione, diffusione, turbolenza, penetrazione.
Massima quantità iniettabile; necessità di dispositivi di adeguamento, per la massima velocità angolare e per il regime di minimo (cenni).
Apparati di regolazione discontinui e continui (cenni).
Calcolo della profondità di penetrazione.
Condizioni da imporre nel dimensionamento dell'apparato di iniezione. Sirnilitudine fra motori Diesel (cenni).
Iniezione diretta e in precamera e corrispondenti forme della camera di combustione.
Emissioni di inquinanti[circa 4 ore]
Effetti nocivi, meccanismi di formazione, influenza dei parametri geometrico-costruttivi e dei parametri di funzionamento.
Legislazione vigente e cicli di prova.
Metodo di abbattimento degli inquinanti: reattori termici, catalizzatori a tre vie, sonda I, EGR.
Trappole per il particolato.
LABORATORI E/O ESERCITAZIONI
1/\ Esercitazione(6 .;- 8ore) per gli studenti che abbiano frequentato Macchine.
Descrizione di un motore alternativo a 4T ad accensione comandata per trazione automobilistica.
Riproporzionamento di massima dell'apparato di aspirazione di un motore alternativo a 4T.
Progetto di massima di un motore alternativo a 4T ad accensione comandata per trazione auto-mobilistica Disegno della sezione trasversale del motore progettato.
2/\ Esercitazione(lO.;-12ore) per gli studenti che abbiano frequentato Macchine.
Dimensionamento di massima del volano di un motore alternativo a 4T ad accensione coman-data per trazione automobilistica.
Calcolo del ciclo Otto convenzionale.
Calcolo della pmi, delle pressioni efficaci e tangenziali.
Calcolo del lavoro motore e del lavoro resistente (motore monocilindrico).
- Calcolo del volano e della velocità angolare (motore monocilindrico).
- Calcolo del lavoro motore e del lavoro resistente (motore pluricilindrico).
- Calcolo del volano e della velocità angolare (motore pluricilindrico).
2/\ Esercitazione(8 .;-lOore) per gli studenti che abbiano frequentato MacchineII.
Studio della distribuzione di un motore alternativo a 4T.
- Camma a 2 centri: geometria, accelerazioni,velocità, alzate.
- Camma a 3 centri: geometria, accelerazioni,velocità, alzate, forze d'inerzia, molle, fasatura.
3/\ Esercitazione(6 .;- 8ore)
Contrappesamento dell'albero a gomiti di un motore alternativo a 4T a 6 cilindri in linea.
Calcolo delle reazioni vincolari.
- Dimensionamento di massima dei contrappesi.
so
4/\ Esercitazione(87lOore) Misure di potenza.
- Apparecchiature per il rilievo della potenza: freni dinamometrici tarati ed a reazione (mecca-nici, idraulici, elettrici); cenni su torsiometri ed estensimetri; misure di velocità angolare.
- Curve caratteristiche: caratteristica meccanica, caratteristica di regolazione, cubica di utiliz-zazione.
- Correzione di potenza per motori Otto a carburazione e ad iniezione, per motori DieseL 5/\ Esercitazione(476ore) per gli studenti che abbiano frequentato Macchine II.
Rilievo sperimentale del ciclo indicato di un motore 4T ad accensione comandata per trazione automobilistica.
1/\ Laboratorio(2ore)
Smontaggio di un motore alternativo a 4T.
2/\ Laboratorio(2ore).
Rilievo caratteristica meccanica e cubica di utilizzazione per motore a ciclo Otto.
3/\ Laboratorio(2ore).
Rilievi sperimentali su di un banco prova motori.
Èobbligatoria la frequenza al 100% dei laboratori. Gli studenti verranno suddivisi in squadre di 12: 15 elementi; la composizione delle squadre, il calendario e gli orari dei laboratori verranno affissi nella bacheca del DipartimentodiEnergetica. Gli spostamenti da una squadra ad un'al-tra sono consentiti solo se concordati preventivamente con il docente esercitatore.
BIBLIOGRAFIA
Èconsigliabile frequentare lezioni ed esercitazioni, e servirsi degli appunti per la preparazione dell' esame. Difatti non esiste un unico testo che tratti gli argomenti del corso in modo simile a quello adottato, e, d'altro canto, la trattazione di molti temi deriva da sviluppi del docente tito-lare del corso o di suoi colleghi.
Sono disponibili appunti deglianniprecedenti, utili per sopperire ad assenze occasionali.
TESTI AUSILIARI
Testi per approfondire singoli argomenti, ove ciò sia necessario nella futura attività professiona-le, sono i seguenti:
J.
B. Heywood -lnternational combustion engine fundamentals (Generale). MCGraw-Hill Book CompanyG. Ferrari -Motori a combustione interna(Generale), TI Capitello, Torino A.Capetti -Motori termici(Generale), UTET, Torino
Ferguson -lnternational combustion engines(Modelli), Wiley&Sons, New York
E. F. Obert -lnternational combustion engine and air pollution(Generale), Intex Educational Publishers, New York
C. F.Taylor -The internai combustion engine in theory and practice(Gentile), M.LT. Press F. Schrnidt -The internai combustion engine(Generale), Chapman&Hall (G.B.) ESAME
Ènecessario mettersi in nota per l'esame presso la Segreteria Didattica del Dipartimento di Energetica.
L'esameè articolato,di norma, in 3-4 domande riguardanti sia le lezioni che le esercitazioni numeriche, grafiche e di laboratorio svolte. Agli argomenti inerenti le lezioni sono riservate almeno due domande, a quelli inerenti le esercitazioni almeno una.
L'esame è, di norma, in forma orale. Ove ad alcune domande si richieda risposta per iscritto, segue sempre una discussione orale delle risposte date.