Capitolo 1
Il motore a quattro tempi
1.1 Il ciclo indicato del motore a quattro tempi ad A.C.
I cicli indicati (o di lavoro) sono quelli effettivamente svolti dal fluido in seno al motore. Si lasci cadere l’ipotesi di idealità della macchina caratterizzante il ciclo limite, per considerare un fluido reale che evolve in una macchina reale [2], quindi:
• Si hanno scambi termici con le pareti;
• La combustione è incompleta e non isocora e/o isobara; • Si hanno perdite di carica per fughe;
• La sostituzione della carica richiede generalmente una spesa di lavoro.
Nel ciclo indicato, a differenza di quello limite, sono presenti anche le due fasi necessarie alla sostituzione della carica, cioè l’aspirazione e lo scarico, le quali occupano due corse dello stantuffo.
Supponiamo di iniziare a seguire il ciclo all’istante in cui, terminata la combustione, lo stantuffo è nella sua corsa di espansione (figura 1.1).
La valvola di scarico viene aperta con un certo anticipo (40°÷60°) rispetto al PMI (punto E del diagramma indicato). Il valore dell’anticipo rappresenta un compromesso tra la necessaria interruzione della raccolta del lavoro ed un tempestivo scarico spontaneo, il quale riduce la pressione che lo stantuffo deve esercitare sui gas residui durante la corsa di risalita.
Si tenga presente che anticipi e posticipi di apertura e chiusura delle valvole devono essere tali da tenere conto anche del fatto che le valvole non possono aprirsi e chiudersi istantaneamente. Raggiunto il PMI, lo stantuffo risale verso il PMS spingendo i gas combusti fuori dal cilindro (scarico pulsato) e, 10°÷40° prima del PMS, (punto B del diagramma indicato) si fa cominciare ad aprire la valvola di aspirazione, quando la valvola di scarico non è ancora del tutto chiusa. Questo consente di sfruttare la depressione creata dal moto dei gas di scarico in modo da favorire l’ingresso dei gas freschi. L’angolo per il quale le due valvole restano entrambe aperte viene detto angolo di incrocio; se tale angolo è troppo ampio si può andare in contro a cortocircuiti di miscela carburata fresca dall’aspirazione direttamente allo scarico e un eccessivo flusso inverso ai bassi carichi, data la depressione che in queste condizioni di carico si ha nel collettore di aspirazione.
10°÷30° dopo il PMS, il punto G nel diagramma, viene chiusa la valvola di scarico. L’aspirazione ha luogo, date le inevitabili perdite di carico, ad una pressione inferiore a quella dell’ambiente di aspirazione. Pertanto, poiché la parte a bassa pressione del ciclo viene percorsa in senso antiorario, si ha una spesa di lavoro, denominato lavoro di pompaggio che dipende dalla differenza tra la pressione di scarico pulsato e pressione di aspirazione.
Dal PMI comincia la corsa di compressione. La fase di compressione, invece, ha luogo soltanto quando la valvola di aspirazione viene chiusa; ciò avviene con un certo ritardo rispetto al PMI (40°÷80°), al fine di massimizzare la quantità di aria introducibile nel cilindro, consentendone l’immissione anche per una certa parte della corsa di compressione (sfruttamento dei fenomeni
dinamici).
La fase di compressione termina in D, quando, con un anticipo che varia a seconda delle condizioni di funzionamento (carico e velocità di rotazione) del motore, viene innescata la combustione.
Essa si compie in circa 40° di angolo di manovella, dopodiché si ha la fase di espansione e raccolta del lavoro.
1.2 Il processo di alimentazione del motore a quattro tempi
Dopo aver illustrato l’andamento del ciclo indicato, rivolgiamo la nostra attenzione, coerentemente con gli obbiettivi della ricerca, alla fase di aspirazione e a quella di compressione. Nella figura 1.2 è riportato il diagramma che illustra l’andamento della pressione nel sistema di aspirazione. L’aria (nel caso di motore ad iniezione diretta) o la miscela (nel caso di motore a iniezione indiretta o a carburatori) entrano nel cilindro a causa della depressione generata dal moto dello stantuffo. Quest’ultima non risulta costante durante la corsa d’aspirazione, ma varia col variare della velocità del pistone, assumendo un valore massimo (pressione interna minima) verso la metà della corsa [1], ( cioè quando la velocità dello stantuffo è massima) e proseguendo su andamenti che sono fortemente influenzati da fenomeni come:l’inerzia dei gas, la propagazione di onde di pressione nei condotti, l’ anticipo e posticipo di chiusura delle valvole ecc..
Fig. 1.2 - Andamento tipico delle pressioni entro il cilindro di un motore quattro tempi non sovralimentato, durante il processo di sostituzione della carica.
Da quanto esposto è evidente la difficoltà di determinare in modo rigoroso l’andamento della pressione durante l’aspirazione, mediante calcoli analitici. Questo giustifica l’utilizzo di codici
1.2.1 Coefficiente di riempimento
Il coefficiente di riempimento (Cr) è definito come il rapporto tra la massa di aria aspirata dal motore in un ciclo e la massa di aria che riempirebbe la cilindrata del motore, nelle condizioni di densità dell’ambiente di aspirazione o, nel caso di motore sovralimentato, di quello a valle del sistema di sovralimentazione.
Il Cr è spontaneamente minore di uno per i seguenti motivi:
1. Si hanno perdite di carico nel sistema di aspirazione(filtro aria, valvola a farfalla, attrito nei condotti, valvole), nonché perdite dovute alla necessaria accelerazione della massa fluida aspirata;
2. I gas residui si trovano normalmente a pressione superiore a quella dell’aria aspirata (Vedi figura 1.2 dove Pr > Pa), per cui essi si oppongono all’entrata della miscela fresca, che può entrare solo quando si espandono, occupando un volume superiore a quello della camera di combustione vanificando parte della corsa di aspirazione;
3. La carica fresca viene riscaldata nel passaggio attraverso il sistema di aspirazione e per contatto con le pareti calde del cilindro, con conseguente diminuzione di densità;
4. In motori con sistema di aspirazione non ottimizzato (e anche quelli ottimizzati, ma al di fuori del campo di ottimizzazione) i fenomeni dinamici oscillatori, che hanno luogo nei condotti di aspirazione e scarico, producono onde di pressione che ostacolano il riempimento del cilindro.
Occorre precisare il fatto che il motore non sempre aspira aria pura, ma spesso una miscela di aria e combustibile. Di conseguenza definire il Cr come si è fatto può sembrare, scorretto non è se si considera che, da una parte la presenza del combustibile sottrae volume utile all’aria ma, dall’altra, l’evaporazione del combustibile avviene con sottrazione di calore all’aria circostante, che risulta così raffreddata e quindi di densità maggiore. Questi due effetti in pratica si equivalgono, per cui è lecito riferirsi, per la definizione del Cr, alla sola aria, anche perché è comunque ignota la percentuale di combustibile presente nel cilindro in fase gassosa alla fine della fase d’aspirazione.
Ricapitolando, si può affermare che l’andamento della pressione nel cilindro durante il processo di alimentazione è soggetto ad effetti che si possono descrivere in termini di velocità media, chiamati effetti quasi-stazionari (perdite di pressione,scambi di calore ).
A questi se ne sovrappongono altri legati alla variabilità istantanea del flusso chiamati effetti
dinamici (fenomeni inerziali,onde di pressione).[3]
La figura 1.3 mette bene in evidenza quanto finora sostenuto. Riferendoci ad un motore in condizioni di funzionamento a pieno carico, le perdite per riscaldamento della carica hanno un peso decrescente con l’aumentare della velocità media dello stantuffo, perché diminuiscono i tempi di permanenza del fluido a contatto con le pareti. Le perdite di carico invece crescono con il quadrato della velocità (moto turbolento) e risultano sempre più penalizzanti con l’aumentare del numero di essa.
Fig. 1.3 - La linea a tratto continuo rappresenta l’andamento reale del Cr , mentre l’area
tratteggiata rappresenta l’effetto delle perdite per riscaldamento, l’area punteggiata quello delle perdite fluidodinamiche.
Gli effetti dinamici permettono sensibili recuperi del Cr alle alte velocità (energia cinetica crescente), ma sono penalizzanti, come già precedentemente puntualizzato, al di fuori del campo di ottimizzazione. Ciò spinge ad adottare geometrie e/o fasature variabili.
1.3 La fase di compressione
Per completezza daremo un breve cenno alla fase di compressione, che inizia quando si chiude la valvola di aspirazione (30°÷70° dopo il PMI) e termina prima del PMS con l’accensione (motori ad A.C.).
Questa fase risulta più semplice da studiare con metodi analitici, data l’assenza di fenomeni dinamici e si potrebbe schematizzare con una trasformazione politropica ad esponente variabile. Tuttavia, per semplicità di calcolo, nei modelli meno raffinati si preferisce rappresentare la compressione con una politropica ad esponente nc costante, a cui viene assegnato un valore
medio sulla base di dati sperimentali.[2]
Orientativamente, per calcolare la temperatura a fine fase di compressione, nc si può assumere, a pieno carico ed in assenza di sovralimentazione:
1.30 ÷1.36 nei motori ad A.C. (1.1)
1
−
⎟⎟
⎜⎜
=
T
V
T
⎠
⎞
⎝
⎛
n
c
d
c
c
d
V
Per quanto riguarda la pressione, nc vale ancora:
1.30 ÷1.36 (1.2)
