APPUNTI del CORSO di MACCHINE I

APPUNTI del CORSO di MACCHINE I

Motori a combustione interna

A cura del dott. ing. Daniele Scatolini

dalle lezioni del prof. Cinzio Arrighetti

Appunti di Macchine I - M.C.I. 2

Introduzione

Il motore a combustione interna (m.c.i.) ha origine intorno al 1850 con il prototipo di Barsanti e Matteucci, vede la definizione del ciclo Beau de Rochas nel 1867 e del ciclo Diesel nel 1893.

Il m.c.i. è una macchina volumetrica alternativa, cioè una macchina che durante il suo funzionamento ciclico elabora una determinata quantità di volume di fluido che è successivamente espulso nell’ambiente e rimpiazzato con una nuova carica.

Il fluido di lavoro si espande e si comprime, e subisce una combustione al suo interno: questo costituisce un primo vantaggio del m.c.i. rispetto ad altri sistemi di produzione di energia, nei quali sono presenti due sorgenti termiche esterne che scambiano calore con il fluido; nel m.c.i. l’energia necessaria per la produzione di lavoro si sviluppa all’interno del fluido tramite la combustione; il calore Q2 restituito all’ambiente viene scaricato nell’ambiente.

Il vantaggio più evidente rispetto, ad esempio, ad una macchina a vapore è quindi l’eliminazione della caldaia, ovvero la compattezza.

Uno svantaggio risulta invece nel fatto che, proprio perché la combustione risulta interna al cilindro, il combustibile impiegato deve essere pregiato onde evitare il veloce deterioramento delle parti meccaniche.

Le potenze sono al di sotto dei 50 MW, sotto il MW per applicazioni dedicate alla trazione.

Classificazioni

Esistono diversi criteri di classificazione dei m.c.i.

Una prima classificazione riguarda il tipo d’accensione:

• Motori ad accensione comandata (a.c., motori volg. “a scoppio”, a benzina, con le candele)

• Motori ad accensione spontanea (a.s., motori Diesel, a gasolio, senza candele¹)

Nei motori ad accensione comandata è introdotta una miscela già dosata d’aria e combustibile (benzina, gpl, metano, alcool, in futuro idrogeno, ecc); un sistema d’accensione (con una o più candele) innesca la combustione, la quale si propaga con un fronte di fiamma a velocità nell’ordine dei 15 m/s.

Per una buon’efficienza del motore è opportuno che aria e benzina siano miscelate in rapporto stechiometrico.

Nei motori ad accensione spontanea s’immette il combustibile (gasolio) attraverso un iniettore (o più) nella camera di combustione, contenente aria pura a determinate condizioni di pressione e temperatura, tali da innescare spontaneamente la combustione.

Esistono anche motori ibridi che possono funzionare sia a benzina sia a gasolio (ad es. per impieghi militari).

1Nei motori ad a.c. le candele producono una scintilla tra due elettrodi che dà il via al processo di combustione; in taluni motori Diesel (soprattutto di vecchia generazione od operanti in condizioni ambientali rigide) sono presenti le cosiddette candelette, in sostanza delle resistenze elettriche che hanno lo scopo di riscaldare –a motore freddo- la camera di combustione al primo avviamento. Si pensi che nello storico diesel a testa calda si disponeva un fuoco di legna sotto la testata all’avviamento!

Appunti di Macchine I - M.C.I. 3 Una diversa classificazione riguarda il periodo del ciclo:

• Motori a quattro tempi (4T)

• Motori a due tempi (2T)

Nei motori 4T il ciclo di funzionamento (notoriamente: aspirazione, compressione, combustione- espansione, scarico) avviene ogni due giri di manovella: in un quarto del ciclo (fase d’espansione) si ha produzione di lavoro, mentre per tre quarti del ciclo il motore funziona da pompa assorbendo lavoro passivo.

Nei motori 2T il ciclo di funzionamento avviene in un solo giro di manovella, consentendo in sede limite la produzione di una potenza doppia rispetto ad un analogo motore 4T di pari cilindrata e livello tecnologico. In sede reale le peculiarità costruttive del 2T limitano però ampiamente questo vantaggio sul 4T¹, come vedremo successivamente nello studio del motore a due tempi.

Un’ulteriore classificazione riguarda l’alimentazione:

• Motori aspirati

• Motori sovralimentati

Nei motori aspirati l’aria è prelevata dall’ambiente a pressione atmosferica, perciò in sede limite la massa d’aria aspirata nel cilindro sarà quella competente al volume del cilindro a p=1 atm:

V

m_a =ρ₀ ⋅ ^, ρ0 densità dell’aria a pressione atmosferica

In sede reale, a causa delle perdite fluidodinamiche nei condotti, la massa d’aria effettivamente aspirata sarà una frazione di quella limite (vedi sopra), ed in particolare

V

m_a =λ_v ⋅ρ₀⋅ ^, λv coefficiente di riempimento (a.c. asp.: valore pari a 0.9 in condizioni di potenza max)

Nei motori sovralimentati l’alimentazione avviene ad una pressione p = k p_atm (tip. k = 1.8),

l’aria è aspirata e cioè compressa in modo da aumentare il coefficiente di riempimento a valori superiori all’unità. Ciò comporta benefici sia a livello di potenza specifica che in termini di rendimento termodinamico².

1 Il tipico motore 2T per applicazioni motociclistiche e di piccola potenza , ha il problema del lavaggio imperfetto, che, di fatto, riduce l’effettiva quota di miscela disponibile per la combustione rispetto a quella idealmente pari alla cilindrata. Una soluzione industrializzata di recente utilizza l’iniezione diretta nel 2T per motocicli. Ben diverso è invece l’utilizzo del 2T diesel, utilizzato nei grandi motori lenti navali con elevato rendimento.

2 Ciò è vero in particolare nei diesel, ma nei motori a benzina, per evitare la detonazione, si è costretti ad abbassare il rapporto di compressione. A fronte di una maggiore potenza specifica si ha in genere un rendimento inferiore rispetto al motore aspirato di pari potenza e quindi un consumo specifico più elevato. Recentemente questo difetto è stato corretto attraverso l’adozione dell’iniezione diretta di benzina.

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Campi d’applicazione e peculiarità

I m.c.i. hanno un vastissimo campo d’applicazione in virtù dell’estrema modularità dell’architettura costruttiva: possibilità di moltiplicare la potenza aumentando il numero di cilindri, adattabilità ai vincoli geometrici esterni, basso rapporto peso/potenza, etc.

Gli impieghi tipici sono dunque la trazione stradale leggera (auto-motoveicoli), trazione ferroviaria, trazione stradale pesante (trasporto merci su gomma), produzione stazionaria di potenza (ad es. gruppi elettrogeni da 1 KW a 20 MW), propulsione navale, propulsione aeronautica.

Le caratteristiche che ne determinano il grande successo sono in generale:

• Compattezza. Il motore contiene al suo interno tutti gli organi necessari per il suo funzionamento, inoltre non ha bisogno della caldaia o del generatore di vapore.

• Semplicità nella regolazione.

Infatti in un m.c.i. si può agire sia sulla coppia motrice (momento motore Mm) che sul numero di giri.

Ad esempio nella figura a lato le due curve di coppia motrice di un’auto Mm1 e Mm2 sono relative a due diverse posizioni dell’acceleratore;

immaginando di mantenere il rapporto di trasmissione costante (ad es. viaggiando in quinta marcia) si può variare la velocità dell’auto trovando due distinte posizioni d’equilibrio sulla curva del momento resistente² (che può essere quello tipico della resistenza aerodinamica), n1 e n2, semplicemente pigiando sull’acceleratore.

• Adattabilità alle varie applicazioni. Il m.c.i. si presta ad avere le architetture più varie, con le disposizioni dei cilindri a V, in linea, a stella.

2 Riportando il confronto all’albero motore la resistenza aerodinamica -forza che si oppone al moto del veicolo- può essere ridotta ad un momento resistente agente sull’albero, noto il rapporto di trasmissione albero/ruote (vedi [6], pag. 167).

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Organi fondamentali dei m.c.i.

Il motore a combustione interna si compone di un cilindro all’interno del quale scorre un pistone in moto alterno.

Il movimento alternativo del pistone fa variare opportunamente il volume della camera di combustione.

Tramite un giunto (spinotto) il pistone

è collegato al complesso biella-manovella-albero, il noto manovellismo ordinario centrato.

Il problema principale di questo cinematismo è dato dalla presenza di forze d’inerzia dovute al moto alterno dello stantuffo, del moto rotante della manovella e del moto misto della biella, che rendono il sistema non equilibrato.

Il sistema di distribuzione permette nei motori 4T la regolazione delle fasi di lavoro attraverso delle valvole, la cui apertura e chiusura è regolata da camme con leggi ben precise; nel motore 2T la distribuzione avviene generalmente senza la necessità d’apparati di distribuzione mobili.

Gli schemi riportati a lato

mettono a confronto il sistema ad “aste e bilancieri” rispetto al sistema ad “albero in testa”: l’asta risulta lunga almeno quanto la canna dei cilindri,

dato che l’albero a camme si trova in pros- simità dell’albero motore, e le valvole sopra la testata. Tale configurazione non è adatta per alti regimi di rotazione.

Per contro un albero in testa richiede un rimando cinematico, in genere a cinghia o catena, dal piano dell’albero motore a quello della testata. La rottura di questi flessibili provoca la rottura di pistoni e valvole.

Appunti di Macchine I - M.C.I. 6 Sistema d’alimentazione del combustibile.

Nei motori ad accensione comandata il combustibile può essere iniettato:

• A monte della camera di combustione.

Carburatore: la miscela aria-benzina si forma nel carburatore dove una strozzatura, in corrispondenza della quale si determina un’opportuna depressione, determina l’iniezione del carburante da un apposito foro calibrato nella vena fluida dell’aria. Le fasi d’iniezione dipendono esclusivamente dalla ciclica depressione generata dall’apertura delle valvole d’aspirazione. La strozzatura introduce una perdita di carico nel condotto d’aspirazione.

La taratura del carburatore è fissa (la portata del carburante è dosata da getti calibrati), ciò determina condizioni di funzionamento ottimali solo per determinati carichi, regimi, temperature e quote altimetriche d’utilizzo, al di fuori delle quali il rendimento diminuisce e le emissioni inquinanti aumentano.

Sezione di carburatore

Iniezione indiretta: il carburante s’inietta ad istanti definiti da una centralina elettronica (o da un sistema meccanico) nella vena d’aria a monte della camera di combustione. In questo modo la sezione utile del condotto d’aspirazione non viene ridotta, è possibile variare continuamente il rapporto stechiometrico aria/carburante¹ ed è possibile ottenere una migliore polverizzazione del getto di carburante rispetto ad un carburatore.

Analogamente al carburatore, la corretta turbolenza della miscela nella camera di combustione dipende esclusivamente dal disegno del condotto, delle valvole, della testa e dello stantuffo.

• Nella camera di combustione.

Iniezione diretta: in questo caso il carburante è direttamente iniettato nella camera di combustione all’istante prestabilito, in maniera totalmente svincolata dall’ammissione dell’aria. In questo modo, oltre ai vantaggi dell’iniezione indiretta, è possibile anche determinare condizioni di turbolenza nella camera di combustione particolarmente favorevoli, con conseguenti benefici in termini di rendimento termodinamico e riduzione delle emissioni inquinanti. ²

1 Questa prerogativa è indispensabile quando sia necessario un convertitore catalitico allo scarico, che opera in modo efficiente solo per miscele stechiometriche. Già per rientrare nei limiti EURO1 il catalizzatore è in pratica necessario su tutti i veicoli in produzione.

2 L’iniezione elettronica ha introdotto però un fattore d’inaffidabilità nel complesso del veicolo, in particolare dovuto alla completa dipendenza dall’alimentazione elettrica. E’ impossibile avviare, anche a spinta, un veicolo ad i.e. con la batteria scarica; è possibile che lo stesso veicolo vada in panne, nonostante già avviato, se si fonde il fusibile dell’alternatore, per progressiva scarica della batteria.

Appunti di Macchine I - M.C.I. 7 I motori ad accensione spontanea sono sempre ad iniezione, che può essere indiretta (a precamera) o diretta. L’iniezione indiretta, che fino agli anni ’90 era dominante nella trazione leggera (automobili), presenta una maggiore regolarità di funzionamento e potenza specifica rispetto a quella diretta, ma per contro ha un minor rendimento. Per questo l’iniezione diretta è rimasta a lungo prerogativa esclusiva della trazione pesante.

Circuito di refrigerazione

Il rendimento globale per un m.c.i. varia tra 0.25 e 0.45, rispettivamente per un motore a benzina tradizionale ed un grande motore diesel.

Questo significa che la grossa quota parte dell’energia termica del combustibile, mediamente il 70%, viene disperso nell’ambiente per vie diverse, com’è illustrato nello schema seguente:

Il raffreddamento può essere a liquido, circolante in canaletti ricavati nelle pareti di cilindro e testata e raffreddato in uno scambiatore di calore (il ben noto radiatore), oppure ad aria, che lambisce un’alettatura opportunamente dimensionata all’esterno del motore.

Appunti di Macchine I - M.C.I. 8 Circuito di lubrificazione.

Tale sistema garantisce il buon funzionamento delle parti, soprattutto dello spinotto (giunto pistone- biella) che raggiunge temperature elevate, trovandosi in prossimità della camera di combustione, ed è sottoposto ciclicamente all’inversione del moto, ciò che tende ad eliminare il velo di lubrificante¹; esiste un apposito condotto per la lubrificazione dello spinotto, ricavato nella biella, che riceve olio da un analogo condotto che viaggia nel pieno dell’albero a gomiti.

Sistema d’avviamento.

Oltre agli storici metodi d’avviamento a manovella (automobili inizio novecento) ed inerziale² (nel motore a testa calda si faceva “rimbalzare” il volano in un senso e nell’altro finché si riusciva a vincere la compressione), l’avviamento è generalmente attuato da un motore elettrico che di solito ingrana su una corona ricavata sul volano. In alcuni grandi motori navali si utilizza aria compressa immessa nei cilindri da opportune valvole.

Volano.

I motori a combustione interna alternativi sono caratterizzati da una fortissima irregolarità periodica a causa dell’andamento della pressione nel cilindro, che nei 4T cambia di segno due volte per ciclo.

Il volano è dunque necessario per ridurre l’irregolarità periodica.

1 Il giunto spinotto-pistone è una coppia rotoidale lubrificata; come noto lo spessore minimo del meato è proporzionale alla velocità relativa dei membri (vedi [6], cap. V). Ad ogni giro dell’albero esistono due istanti in cui tale velocità si annulla (quando il c.i.r. della biella va all’infinito), purtroppo in corrispondenza di fasi ancora attive dell’espansione e della compressione.

2 E’ tuttora diffuso l’avviamento a strappo in attrezzi da giardinaggio, agricoli e piccoli gruppi elettrogeni. In via d’estinzione il kick-starter nelle moto, eccetto quelle da cross due tempi.

Appunti di Macchine I - M.C.I. 9

Funzionamento del motore 4T

Caratteri geometrici

Quando il pistone si trova al p.m.s. si determina il volume V2 che non è interessato dalla sua corsa:

V2 , volume della camera di compressione

Quando il pistone si trova al p.m.i. il volume individuato sarà:

V1 = V2 + Vc , volume totale

Vc è la cilindrata ed è il volume spazzato dal pistone nella sua corsa dal p.m.i. al p.m.s. :

D C V

V

V_c ⋅ ⋅

=

−

= 4

2 2

1

π , cilindrata

con C : corsa dello stantuffo (distanza tra p.m.s. e p.m.i., pari al diametro di manovella) D : alesaggio (diametro del cilindro)

Si definisce il rapporto volumetrico di compressione:

2 1

V

r= V con valori tipici 7÷12 nei motori ad accensione comandata

12÷23 nei motori ad accensione spontanea

All’aumentare del rapporto volumetrico di compressione aumenta la pressione di fine fase compressione, e quindi anche la temperatura della carica di gas all’istante della scintilla (motori a.c.) o dell’iniezione (motori a.s.).

Il parametro r è determinante ai fini del rendimento termodinamico, sia nei motori a.c. sia negli a.s.

In particolare nei motori a.c. non può raggiungere valori troppo elevati perché insorge il fenomeno della detonazione, mentre nei motori a.s. viene spinto fino a valori compatibili con la resistenza strutturale dei componenti (in particolare testata, biella e pistone).

Caratteri cinematici e dinamici

u_m = 2·C·n/60 , velocità media dello stantuffo, con valori compresi tra 5 m/s e 20 m/s secondo la destinazione d’uso del motore.

p_me , pressione media effettiva, è la pressione media in un ciclo “equivalente” agente sullo stantuffo, tenendo conto delle perdite meccaniche nella catena cinematica, considerata positiva se produce lavoro utile.

Al variare di questi due parametri si possono ottenere motori d’eguale potenza specifica ma di diversa destinazione d’uso.

P_sp , potenza specifica, è la potenza sviluppata dal motore per unità di cilindrata

Appunti di Macchine I - M.C.I. 10 -Motori con elevate velocità medie dello stantuffo, o motori veloci, sono in grado di fornire elevate potenze specifiche ma lavorando a regimi di rotazione elevati non sono adatti a servizio continuativo ed affidabile. Sono dunque i motori adatti alla trazione automobilistica leggera.

-Motori con elevate pressioni medie effettive, in genere due tempi diesel sovralimentati, forniscono elevatissime potenze, ma per le tipiche caratteristiche costruttive sono eccessivamente pesanti ed ingombranti per esigenze di piccola utenza, nonché lavorano a bassissimi regimi di rotazione praticamente costanti. Sono dunque i motori ideali per la trazione navale, ferroviaria e per la produzione d’energia.

Tra queste due categorie estreme esiste un vasto panorama di motori dalle caratteristiche intermedie, la cui configurazione corrisponde all’ottimo richiesto dalla loro particolare destinazione d’uso.

Per toccare con mano il significato fisico dei due parametri velocità media e pressione media effettiva, si può osservare come siano due fattori a prodotto in un’espressione semplificata della potenza di un m.c.i.:

(

) ( )

F

P= _m⋅ _m = _me ⋅ ⋅ _m = _me⋅ _m⋅ ,

con F_m “forza media in un ciclo” e v_m “velocità media in un ciclo”, S superficie dello stantuffo.

Si capisce dunque che per aumentare la potenza di un motore si possono scegliere due diverse strade:

l’incremento della pressione media effettiva o della velocità media dello stantuffo.

Si ricordano infine altri due parametri, i fattori di forma k₁ e k₂, definiti come

D

k₁ =ζ = C , allungamento, identifica le proporzioni della camera di combustione

23

2 V

k = S , è un parametro che mette in relazione la superficie di scambio termico delle pareti della

camera di combustione ed il volume della miscela che raccoglie o cede tale calore; gli esponenti sono calcolati con le regole dall’analisi dimensionale.

Questi fattori di forma sono utilizzati in sede di progetto per identificare motori simili.