Motori Diesel e ciclo Diesel: funzionamento e fasi

Motori Diesel e Ciclo Diesel

1. Motori Diesel e ciclo Diesel I motori diesel utilizzano combustibili ad alto peso molecolare (ad esempio gasolio), densi e difficilmente evaporabili. Il combustibile polverizzato viene iniettato direttamente all'interno del cilindro alla fine della fase di compressione, in modo che l'elevata temperatura conseguente alla compressione possa determinare la combustione. I motori diesel si definiscono anche motori ad accensione spontanea, in quanto si realizzano le condizioni tali da far auto accendere la miscela (fenomeno che deve essere evitato nei motori a benzina). Nei motori diesel non è possibile inoltre che avvenga la detonazione in quanto in fase di compressione è presente solo aria.

Un motore diesel 4 tempi, il più utilizzato in trazione, presenta le stesse fasi del motore benzina ma con delle differenze. Le fasi sono riassunte di seguito:

Fase di Aspirazione

Fase di aspirazione (figura 1) La valvola è aperta e viene aspirata dal condotto aria atmosferica; al termine di tale fase il pistone è giunto al punto morto inferiore, la valvola si chiude ed ha inizio la seconda fase.Figura 1: Fase di aspirazione.

Fase di Compressione

Fase di compressione (figura 2) Il pistone inverte il moto, cominciando a comprimere l'aria all'interno del cilindro, fino ad arrivare al punto morto superiore. I rapporti di compressione in questi motori sono di gran lunga più elevati rispetto a quelli dei motori a benzina, in quanto viene compressa solo aria e non una miscela aria-combustibile come nei motori benzina. L'aria alla fine della compressione raggiunge temperature dell'ordine dei 1000 K.Figura 2: Fase di compressione.

Fase di Combustione ed Espansione

Fase di combustione ed espansione (figura 3) Il combustibile polverizzato viene iniettato nel cilindro dove, trovandosi a temperatura maggiore della propria temperatura di autoaccensione, comincia a bruciare; ha inizio la combustione. Il processo in questo caso è molto più graduale, in quanto l'iniezione del combustibile richiede tempo, al contrario del motore a benzina in cui la candela fa in modo che la combustione parta istantaneamente. Il pistone si muove verso il punto morto inferiore mentre l'iniezione è ancora in atto: si può ritenere che la combustione avvenga a pressione costante. Si ha quindi un'espansione adiabatica, al termine della quale si raggiunge il punto morto inferiore.Figura 3: Fase di combustione ed espansione.

Fase di Scarico

Fase di scarico (figura 4) Si apre la valvola ed il pistone, risalendo verso il punto morto superiore, espelle i gas combusti. A questo punto può iniziare un nuovo ciclo. Anche nel motore Diesel è presente un ciclo di lavaggio che consente di espellere i gas combusti e aspirare l'aria atmosferica. A tale ciclo viene assegnato un Lavoro Negativo.

Ciclo Diesel Teorico

Il ciclo di riferimento per i motori diesel è il ciclo diesel teorico. Esso è costituito da due adiabatiche, un'isometrica ed un'isobara. Se il fluido di lavoro è un gas perfetto, il ciclo Diesel può essere rappresentato nei diagrammi termodinamici di Clapeyron P-v (figura 5) ed entropico T-s (figura 6).Figura 4: Fase di scarico.Isobara P Q1 B C Adiabatiche Reversibili Isometrica D Q2 E A 1 - VB VC VD, VA V Figura 5: Ciclo Diesel sul diagramma di Clapeyron P-v. ‹ T C D B Q2 A s E FFigura 6: Ciclo Diesel sul diagramma entropico T-s.

Rendimento del Ciclo Diesel

2. Rendimento del ciclo Diesel Partendo dalla definizione di rendimento e sostituendo al calore Q2 e Qi l'espressione per una trasformazione rispettivamente isocora e isobara si ottiene: n=1- 2 = 1- CV (TD -TA) Cp (Tc - TB) Per un gas perfetto Cv e Cp non dipendono dalla temperatura, il loro rapporto è pertanto costante e si può porre che k = Cp/Cv. Quindi l'espressione del rendimento si semplifica in questo modo: n- 1-1(ID- Tc - TB T A / - Utilizzando l'equazione delle adiabatiche AB e CD si può scrivere anche: n= 1- 1 ε k 1 ρ k k 1 ρ 1 ε dove: p=VA /VB rapporto di compressione; 8= VD /Vc rapporto di espansione. Analogamente al motore a benzina, il rendimento aumenta con il rapporto di compressione e con il rapporto di espansione. p può arrivare a oltre 20.Per valutare l'influenza del rapporto di espansione &, conviene considerare gli andamenti n=n (€, p) come in figura 7. 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 E = $ 8= 10 8 = 15 = 20 &= 30 n 0,3 0,2 0,1 0 0 10 20 30 40 r Figura 7: Rendimento del ciclo Diesel in funzione dei rapporti di compressione e di espansione.

Confronto Ciclo Otto - Ciclo Diesel

3. Confronto ciclo Otto - ciclo Diesel Come noto dall'esperienza quotidiana, con riferimento ad esempio ai sistemi di autotrazione, i motori Diesel presentano, rispetto ai motori a benzina, valori meno elevati dei consumi specifici di carburante. Il migliore comportamento è conseguenza del più elevato rendimento termodinamico ottenibile dal ciclo Diesel rispetto al ciclo Otto. Questo fatto può sorprendere, dato che il ciclo Otto è uno dei cicli di massimo rendimento in condizioni operative prefissate, mentre il ciclo Diesel non gode di questa prerogativa.

Confronto a Parità di Rapporto di Compressione

Infatti, se si effettua il confronto a parità di rapporto di compressione, il ciclo Otto ha prestazioni migliori, sia per il rendimento che per il lavoro utile ottenibile per unità di massa di fluido in circolo (figura 8, 9 e 10). P B C 1) A parità di p : Ciclo Diesel = AEFD; Ciclo Otto = AECD. - .F 1 E D A VB VE VD=VA Figura 8: Confronto sul Piano P-v a parità di rapporto di compressione.T C --- F dv = 0 dP = 0 D dP=0 dv = 0 B E QDA A S G H 1) A parità di p : Ciclo Diesel = AEFD; Ciclo Otto = AECD. Figura 9: Confronto sul Piano T-s a parità di rapporto di compressione. P P B B C \ F F E E D D A A V VB VE VD=VA VB VE VD=VA Lavoro Ciclo Diesel < Lavoro Ciclo Otto n Ciclo Diesel < n Ciclo Otto CFigura 10: Confronto lavoro e rendimento a parità di rapporto di compressione. Per il rendimento, che si esprime nel seguente modo: n = 1 - Q1 Q2 Si osservi che i due cicli menzionati restituiscono all'esterno la medesima quantità di calore QDA, (sul piano entropico è l'area GADH) ossia Q2. Il ciclo Otto riceve dall'esterno il calore QEc, (area GECH), ossia Q1. Il ciclo Diesel riceve il calore QEF, (area GEFH), anche esso equivalente a Q1. Poiché QEC>QEF, il rendimento del ciclo Otto è maggiore del rendimento del ciclo Diesel.

Confronto a Parità di Pressione e Temperatura Massima

Se si effettua il confronto a parità di pressione e temperatura massima, che è poi quello che accade nella pratica, il ciclo Diesel ha prestazioni migliori, sia per il rendimento che per il lavoro utile ottenibile per unità di massa di fluido in circolo (figura 11, 12 e 13).AP B C 2) A parità di Tmax e Pmax: Ciclo Diesel = ABCD; Ciclo Otto = AECD. 1 F 1 - E D A VB VE VD=VA Figura 11: Confronto sul Piano P-v a parità di pressione e temperatura massima.T C F dv = 0 2) A parità di Tmax e D Pmax: dP= 0 dP= 0 dv= 0 B E QDA A S G H Figura 12: Confronto sul Piano T-s a parità di pressione e temperatura massima. AP P B C B C \ .F F E E D D A A VB VE VD=VA VB VE VD=VA Lavoro Ciclo Diesel > Lavoro Ciclo Otto n Ciclo Diesel > n Ciclo Otto Ciclo Diesel = ABCD; Ciclo Otto = AECD.Figura 13: Confronto lavoro e rendimento a parità di rapporto di pressione e temperatura massima. Per il rendimento, che si esprime nel seguente modo: =1-2 Q1 Q2 Si osservi che i due cicli menzionati restituiscono all'esterno la medesima quantità di calore QDA, (sul piano entropico area GADH) ossia Q2. Il ciclo Otto riceve dall'esterno il calore QEc, (area GECH), ossia Q1. il ciclo Diesel riceve il calore QBc, (area GBCH), anch'esso Q1. Poiché QBC>QEC, il rendimento del ciclo Diesel è maggiore del rendimento del ciclo Otto.

Considerazioni sul Rendimento

Si osserva che: o n aumenta rapidamente con p fino a valori dell'ordine di 15+20; per valori superiori l'azione del rapporto di compressione sul rendimento è meno efficace; o a parità di p, il rendimento aumenta con &; o aumentare il rapporto di espansione significa spostare verso sinistra il punto C, e quindi avere un ciclo di area minore e con un lavoro prodotto più piccolo. Il valore di & deve essere scelto tenendo conto di entrambe le esigenze: avere un rendimento ed un lavoro utile elevati. Concludendo, eseguendo un confronto a parità di rapporto di compressione: n Ciclo Otto > n Ciclo Diesel Infatti il ciclo Otto è un ciclo di massimo rendimento tra 2 volumi (massimo e minimo).Eseguendo un confronto a parità di pressione e temperatura massima (reale): n Ciclo Diesel > n Ciclo Otto Il ciclo Diesel raggiunge rapporti di compressione più elevati (20 contro 10).