"L.B. Alberti" - Rimini
Anno Scolastico 2009/2010
Corso di Meccanica, Macchine e Impianti Termici
CAPITOLO 4
MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA
"L.B. Alberti" - Rimini 4. FUNZIONAMENTO DEL MOTORE A 4 TEMPI 4.1 LE 4 FASI DEL CICLO
Il motore è costituito essenzialmente da uno stantuffo che scorre in un cilindro spinto periodicamente dalla pressione dei gas di combustione compressi tra il cilindro e lo stantuffo stesso. Detto anche motore a quattro tempi perché l'intero ciclo si compie in quattro fasi corrispondenti ad una rotazione di 720° dell'albero motore (2 giri, quattro corse dello stantuffo).
Sequenza delle fasi:
Il pistone dal PMS (punto morto superiore) scende al PMI (punto morto inferiore).
Durante questa fase la miscela preformata di aria e carburante è aspirata, attraverso l'apposita valvola, dal pistone. Giunto lo stantuffo al PMI termina la corsa di aspirazione, si chiude la valvola aspirazione ed ha inizio la seconda fase:
FASE DI COMPRESSIONE Si effettua la compressione della miscela
aspirata nella camera di compressione per
mezzo dello spostamento del pistone dal
PMI al PMS. Giunto il pistone al PMS, fra gli
elettrodi della candela scocca la scintilla che
provoca la combustione della miscela
compressa; ha quindi inizio la terza fase:
"L.B. Alberti" - Rimini
FASE DI ESPANSIONE Si verifica l’espansione dei gas di combustione che ha per effetto la spinta del pistone verso il PMI, ed è in questa fase che si trasferisce il lavoro utile sull’albero motore. Quando il pistone ha raggiunto il PMI inizia la quarta fase:
FASE DI SCARICO Vengono scaricati i gas combusti
attraverso la valvola di scarico. Essi vengono espulsi dal cilindro all’atmosfera per effetto della spinta dello stantuffo risalente dal PMI al PMS. Raggiunto il PMS la valvola di scarico si chiude, si apre quella di aspirazione ed ha inizio un altro ciclo.
"L.B. Alberti" - Rimini
4.2 CICLO OTTO TEORICO (Motori ad accensione comandata)
Esaminiamo adesso il ciclo teorico che caratterizza il principio di funzionamento di un motore a carburazione a quattro tempi. Supponiamo che lo stantuffo si trovi inizialmente al punto morto superiore e sia dotato di una certa energia cinetica residuo del precedente ciclo sufficiente a fargli compiere gli spostamenti preliminari necessari per realizzare le prime fasi. Il ciclo teorico si completa in quattro corse dello stantuffo, e precisamente:
0-1: Lo stantuffo muovendosi verso il basso, aspira la miscela attraverso la valvola di aspirazione, mentre è chiusa quella di scarico; si suppone che tale aspirazione avvenga a pressione costante (atmosferica).
1-2: Si chiudono ambedue le valvole e la miscela viene compressa aumentando la pressione e la temperatura; al termine della corsa avviene la combustione della miscela.
2-3: Combustione, si suppone che tale trasformazione avvenga a volume costante, in virtù della rapidità con cui si sviluppa. La pressione si innalza fortemente ed i gas combusti esercitano una forte spinta sullo stantuffo.
3-4: Permangono chiuse le valvole e lo stantuffo si muove per effetto della spinta
esercitata dai prodotti della combustione che si espandono dentro il cilindro; al
"L.B. Alberti" - Rimini
termine della corsa, si apre istantaneamente la valvola di scarico a la pressione subisce una improvvisa diminuzione per la fuoriuscita di una parte dei gas combusti (4 -1).
4-1 Scarico spontaneo.
1-0 Scarico forzato. Si ottiene la completa espulsione dei prodotti residui attraverso la valvola di scarico che rimane aperta per tutta questa fase che si suppone avvenga anch’essa a pressione atmosferica.
Il ciclo teorico è così concluso ed il cilindro e pronto per ricevere altra miscela.
4.3 CICLO OTTO REALE (Motori ad accensione comandata)
Il ciclo termico reale, cioè quello che si potrebbe direttamente rilevare da un manometro installato sul cilindro non coincide con quello teorico che abbiamo descritto, per il quale avevamo introdotto diverse ipotesi semplificative. In realtà si manifestano le seguenti discordanze:
- La fase di aspirazione non avviene alla pressione atmosferica, ma ad una pressione leggermente inferiore, essendo conseguente alla depressione che il pistone crea durante la discesa dal PMS al PMI.
- analogamente, la fase di scarico avviene ad una pressione lievemente superiore a
"L.B. Alberti" - Rimini
quella atmosferica poiché i gas combusti sono spinti verso l'esterno dall'azione premente dello stantuffo che si sposta dal PMI al PMS.
Ne consegue che l’area racchiusa dalle due curve indica il lavoro perso per caricare e scaricare il cilindro rispettivamente di miscela fresca e di prodotti della combustione.
- La fase di espansione e quella di compressione non coincidono con quelle teoriche perché parte del calore che viene generato durante la combustione viene perso a causa del raffreddamento e delle dissipazioni interne.
- La fase di combustione non è istantanea, ma richiede per il suo svolgimento un intervallo di tempo, seppur brevissimo, poiché il fronte di fiamma si propaga ad alta velocità raggiungendo tutti i punti della camera di combustione; la relativa
trasformazione avviene perciò a volume crescente conseguendo un minor incremento sia di pressione che di temperatura.
- Oltre a quanto esposto, occorre tener presente l'effetto dello strozzamento subito
dal fluido nell'attraversamento delle valvole e l'inerzia di queste all'apertura ed
alla chiusura; il ciclo indicato (reale) assume in definitiva l'aspetto della figura
illustrata a pagina precedente, e produce un lavoro minore di quello previsto dal
ciclo teorico.
"L.B. Alberti" - Rimini
4.4 CICLO DIESEL TEORICO
Esaminiamo adesso il ciclo teorico che caratterizza il principio di funzionamento di un motore DIESEL a quattro tempi. Supponiamo che lo stantuffo si trovi inizialmente al punto morto superiore e sia dotato di una certa energia cinetica residuo del precedente ciclo sufficiente a fargli compiere gli spostamenti preliminari necessari per realizzare le prime fasi. Il ciclo teorico si completa in quattro corse dello stantuffo, e precisamente:
0-1: Lo stantuffo muovendosi verso il basso, aspira l’aria attraverso la valvola di aspirazione, mentre è chiusa quella di scarico; si suppone che tale aspirazione avvenga a pressione costante (atmosferica).
1-2: Si chiudono ambedue le valvole e l’aria viene compressa aumentando la pressione e la temperatura; al termine della corsa avviene l’iniezione del combustibile (DIESEL) attraverso l’iniettore.
2-3: Combustione, si suppone che tale trasformazione avvenga a pressione costante, in virtù del fatto che la combustione avviene in un determinato tempo (più lento del ciclo OTTO) e che il pistone, durante la combustione, compia già una parte della discesa dal PMS al PMI.
3-4: Permangono chiuse le valvole e lo stantuffo si muove per effetto della spinta
"L.B. Alberti" - Rimini
esercitata dai prodotti della combustione che si espandono dentro il cilindro; al termine della corsa, si apre istantaneamente la valvola di scarico a la pressione subisce una improvvisa diminuzione per la fuoriuscita di una parte dei gas combusti (4 -1).
4-1 Scarico spontaneo.
1-0 Scarico forzato. Si ottiene la completa espulsione dei prodotti residui attraverso la valvola di scarico che rimane aperta per tutta questa fase che si suppone avvenga anch’essa a pressione atmosferica.
Il ciclo teorico è così concluso ed il cilindro e pronto per ricevere altra aria.
4.5 CICLO DIESEL REALE
Il ciclo termico reale, cioè quello che si potrebbe direttamente rilevare da un manometro installato sul cilindro non coincide con quello teorico che abbiamo descritto, per il quale avevamo introdotto diverse ipotesi semplificative. In realtà si manifestano le seguenti discordanze:
- La fase di aspirazione non avviene alla pressione atmosferica, ma ad una pressione
leggermente inferiore, essendo conseguente alla depressione che il pistone crea
durante la discesa dal PMS al PMI.
"L.B. Alberti" - Rimini
- analogamente, la fase di scarico avviene ad una pressione lievemente superiore a quella atmosferica poiché i gas combusti sono spinti verso l'esterno dall'azione premente dello stantuffo che si sposta dal PMI al PMS.
Ne consegue che l’area racchiusa dalle due curve indica il lavoro perso per caricare e scaricare il cilindro rispettivamente di miscela fresca e di prodotti della combustione.
- La fase di espansione e quella di compressione non coincidono con quelle teoriche perché parte del calore che viene generato durante la combustione viene perso a causa del raffreddamento e delle dissipazioni interne.
- La fase di combustione non è a pressione costante, ma dato che richiede per il suo svolgimento un intervallo di tempo, la pressione varia al variare della posizione del pistone e dell’avanzamento della reazione di combustione.
- Oltre a quanto esposto, occorre tener presente l'effetto dello strozzamento subito
dal fluido nell'attraversamento delle valvole e l'inerzia di queste all'apertura ed
alla chiusura; il ciclo indicato (reale) assume in definitiva l'aspetto della figura
illustrata a pagina precedente, e produce un lavoro minore di quello previsto dal
ciclo teorico.
"L.B. Alberti" - Rimini 4.6 DIAGRAMMA POLARE
In realtà come già detto, la durata delle fasi di apertura delle valvole è maggiore di quanto previsto dal ciclo teorico, in considerazione degli effetti prodotti dall'inerzia al moto opposta dal fluido nell'istante dell'apertura a della chiusura e al tempo di apertura e chiusura delle valvole, più precisamente:
-
A.A. La valvola di aspirazione si apre prima chelo stantuffo abbia raggiunto il PMS (riferendo l'anticipo di apertura agli angoli descritti dalla manovella principale, esso viene mediamente tenuto intorno al 20°=25° fino a 30°=35° nei motori spinti);
-
R.A. La stessa valvola non si chiude nell'istantein cui lo stantuffo giunge al PMI, ma con un certo ritardo per sfruttare l'inerzia posseduta dalla miscela entrante ed ottenere così un riempimento più completo del cilindro a vantaggio della potenza erogata. Il ritardo alla chiusura varia fra 20° a 40° (nei motori veloci 50°=60°) di rotazione della manovella principale -
A.S. Per dar tempo sufficiente ai gas combustidi deffluire all'esterno, in modo che la nuova miscela risulti più pura possibile, è conveniente anticipare anche l'apertura della valvola di scarico; tale anticipo si può ritenere pari a 40°=60° di rotazione della manovella, tanto maggiore quanto più elevata a la velocità di rotazione.
-
R.S. É bene ritardare anche la chiusura dellavalvola di scarico per sfruttare l’inerzia dei gas combusti; il ritardo alla chiusura di questa valvola è in genere inferiore all'anticipo all'apertura previsto per quella di aspirazione;
mediamente si può ritenere che esso oscilli fra 15° a 30°.
Il complesso di anticipi e ritardi altera sensibilmente la durata delle fasi del motore che,
nel caso teorico, dovrebbero avvenire ciascuna in una corsa dello stantuffo; l’effettiva
estensione delle fasi viene messa in evidenza nel cosiddetto «diagramma polare» che,
per un motore a quattro tempi, comprende due giri completi dell'albero motore; da
questo si rileva che per un breve arco di tempo sono aperte ambedue le valvole
(aspirazione e scarico) il che, se da un punto di vista consente un miglior rendimento
volumetrico, da un altro comporta una leggera perdita di miscela che effluisce
direttamente allo scarico insieme ai gas combusti.
"L.B. Alberti" - Rimini 4.7 COMBUSTIONE
Il fenomeno fisico della combustione può essere rappresentato dalle seguenti trasformazioni che riportano a sinistra della freccia gli elementi che concorrono alla reazione e a destra i prodotti della reazione.
In una combustione perfetta:
2 2
2 2 2
2 2
C O CO Calore
H O H O
+ → +
+ →
C Carbonio
O
2Ossigeno
CO
2Anidride Carbonica H
2Idrogeno
H O
2Acqua
In una combustione con carenza di Ossigeno (oppure con eccesso di combustibile) le trasformazioni si modificano nel seguente modo:
2 2
2 2 2 2
( )
2 ( ) 2
C O CO CO Calore
H O H O H
+ ↓ → + +
+ ↓ → +
Oltre alla produzione di Anidride Carbonica e di Acqua si forma anche il monossido di carbonio (gas molto velenoso e inodore) a causa dalla incompleta ossidazione del carbonio nella camera di combustione.
In una combustione con eccesso di Ossigeno (oppure con carenza di combustibile) le trasformazioni si modificano nel seguente modo:
2 2 2
2 2 2 2
( )
2 ( ) 2
C O CO O Calore
H O H O O
+ ↑ → + +
+ ↑ → +
Oltre all’Anidride Carbonica e all’acqua allo scarico è presente dell’Ossigeno che non ha reagito a causa di una carenza di Carbonio. Una combustione con “eccesso d’aria”
ha un ottimo rendimento garantendo una totale ossidazione del Carbonio, ma a causa
dell’elevata reazione la temperatura di combustione è particolarmente elevata e può
causare surriscaldamenti e rotture meccaniche.
"L.B. Alberti" - Rimini 4.8 INQUINANTI E MARMITTA CATALITICA
I motori montati sui mezzi di trasporto costituiscono sorgenti di notevole inquinamento atmosferico in particolare nelle aree urbane ad intenso traffico. Nei gas scaricati sono contenuti diversi inquinanti tra cui ricordiamo:
1. ossido di carbonio (CO);
2. ossidi di azoto (NOx);
3. idrocarburi (HC);
4. particolato (particelle solide derivate dalla ossidazione incompleta del combustibile o composti metallici ed additivi in esso presenti);
5. zolfo (da impurità del combustibile);
6. anidride carbonica (che sul lungo periodo può contribuire a modificare il clima, attraverso l’effetto serra).
Poiché è ormai provato da tempo che tali inquinanti costituiscono un grave pericolo per la
nostra salute, il Legislatore ha imposto, negli ultimi decenni, limiti sempre più severi per
quanto riguarda il livello massimo di emissioni dei motori per autoveicoli. Per meglio
comprendere il modo per abbattere gli inquinanti, è indispensabile valutare le relazioni tra
gli inquinanti stessi e alcuni parametri fondamentali del processo di combustione.
"L.B. Alberti" - Rimini
Ossido di carbonio CO
I risultati sperimentali confermano che l’unica variabile in grado di influenzare sensibilmente la concentrazione di CO nei gas di scarico è il rapporto aria/combustibile. Il CO aumenta rapidamente in conseguenza del difetto di ossigeno, ma scende a valori molto bassi per miscele povere. Quando i motori ad accensione comandata funzionano con un rapporto di miscela vicino allo stechiometrico, le emissioni di CO sono in genere contenute.
Idrocarburi Incombusti HC
In pratica solo il rapporto di miscela aria/carburante e l’anticipo all’accensione influenzano largamente la concentrazione di idrocarburi incombusti. Il rapporto di miscela può far sì che la combustione avvenga più o meno completamente e rapidamente, facendo così variare la temperatura nella camera di combustione. Diminuendo l’antico all’accensione, si ritarda anche il completamento della combustione che continua nella prima parte del collettore di scarico coinvolgendo anche gli idrocarburi incombusti espulsi dal cilindro. Per mantenere gli HC bassi non bisogna utilizzare miscele molto ricche di aria perché a causa della cattiva combustione gli HC tendono ad aumentare.
Ossidi Azoto NOx
La presenza di NOx dipende sostanzialmente da due fattori:
• valori massimi di temperatura raggiunti in camera di combustione (all’aumentare della temperatura aumenta la produzione di NOx);
• contenuto di ossigeno della miscela di alimentazione (all’aumentare di ossigeno
aumenta la produzione di NOx).
"L.B. Alberti" - Rimini
Marmitta Catalitica
Per limitare lo scarico in atmosfera degli inquinanti nei motori di ultima generazione, equipaggiati con alimentazione tramite iniezione elettronica, viene installata una marmitta catalitica in grado di far reagire gli inquinanti nel seguente modo:
2 2 2
