Appunti sul Corso di Meccanica Agraria: Motori Termici e Sovralimentazione

Corso di Meccanica Agraria

Prof. Giampaolo Schillaci

Elementi di Meccanica Applicata e di Macchine

Motori Termici

Definizione. È una macchina in grado di trasformare qualsiasi forma di energia in energia meccanica.

Definizione. Motori nei quali il calore prodotto dalla combustione di una miscela composta da un combustibile e un comburente (aria) viene trasformato in energia meccanica.

Regimi dei Motori

avviamento - regime - arresto

Una motore attraversa tre regimi:

• avviamento
• regime normale
• arresto

E Regime Arresto Avviamento t

Occorre sapere che l'equazione generale delle macchine (che qui non è riportata) illustra l'andamento delle forze in relazione alle tre fasi di avvio, regime «costante» e arresto.

Avviamento: occorre immettere al sistema energia dall'esterno (es: energia elettrica mediante la batteria)

Arresto: occorre dissipare energia fornita dal sistema fino a provocarne l'arresto o frenatura.

Regime «costante»: la potenza motrice nella media di un ciclo è equilibrata dalla somma delle resistenze e la velocità del motore si mantiene costante

Motori Termici

Motore Esotermico

La combustione che produce l'energia termica avviene esternamente al fluido attivo (l'acqua nella pentola); questo, cambiando di stato (da acqua a vapore) produce lavoro meccanico (il vapore spostando il coperchio produce lavoro).

Nel motore a vapore (locomotiva), il combustibile (carbone) brucia nel forno, il fluido attivo (acqua) contenuto nella caldaia si trasforma in vapore, questo mediante condotte viene trasferito ai cilindri, dove fa muovere i pistoni.

Motore Endotermico

a ala Nei Motori Endotermici la miscela combustibile - comburente viene accesa e produce gas (gas della combustione). La combustione avviene all'interno del fluido che produce il lavoro meccanico e per questo il motore sarà detto endodermico o a combustione interna.

I gas spingono sul cielo del pistone causandone il movimento ovvero producono lavoro meccanico.

Motori

Definizione. È una macchina in grado di trasformare qualsiasi forma di energia in energia meccanica.

Motori Termici

Definizione. Motori nei quali il calore prodotto dalla combustione di un combustibile viene trasformato in energia meccanica.

Esempi: motore a vapore, ma anche ... la pentola sul fornello, Quando il vapore sposta il coperchio

Motori Esotermici

Definizione. Nei m. esotermici la combustione che produce l'energia termica avviene esternamente al fluido attivo che genera il movimento (lavoro meccanico), come avviene nel motore a vapore; si può utilizzare qualsiasi combustibile), anche solido (carbone, ecc).

Motori Endotermici

Ciclo Otto benzina Ciclo Diesel nafta Ciclo Sabathè gasolio

Nei motori endotermici la combustione - reazione di ossidoriduzione esotermica di una miscela composta da combustibile e comburente (aria) - avviene all'interno del fluido che produce il lavoro meccanico. Si possono utilizzare solo combustibili fluidi

Elementi di un Motore Endotermico

Di seguito sono indicati alcuni elementi caratteristici che contraddistinguono un motore:

• velocità di rotazione: numero di rotazioni complete dell'albero motore [@, giri min-1]]
• alesaggio: diametro interno del cilindro [mm]
• corsa: distanza fra PMS e PMI [mm]
• cilindrata: volume del cilindro compreso fra i due PM [cm3 o dm3]
• cilindrata totale: cilindrata · nº cilindri [cm3 o dm3]
• camera di combustione: spazio fra il PMS e la testata (è escluso dalla cilindrata
• rapporto di compressione: è il rapporto tra il volume totale del cilindro (calcolato quando il pistone è al punto morto inferiore, conclusa la fase di aspirazione) e il volume che rimane nel cilindro quando il pistone è al punto morto superiore (dopo la compressione): Rc = cilindrata + camera di combustione camera di combustione
• pressione media effettiva: pressione esercitata sullo stantuffo per effetto dell'espansione del fluido combusto La pressione media e il rapporto di compressione sono in diretto rapporto con la potenza erogata dal motore.

PM S PMI

Fasi e Tempi del Motore Endotermico a 4 Tempi

Le fasi di un M.E. a 4 tempi, in sequenza, sono: aspirazione (il pistone corre verso il PMI - si apre la valvola di aspirazione - quella di scarico è chiusa - e il fluido attivo - FA - entra nel cilindro) - compressione (verso il PMS, il FA viene sottoposto a compressione e quando questa giunge (quasi) al termine, all'accensione) - espansione (i gas della combustione premono sul cielo del pistone e ne provocano la corsa verso PMI) - scarico (il pistone corre verso il PMI - si apre la valvola di scarico, quella di aspirazione è chiusa). Verso il termine della compressione, con il pistone prossimo al PMS, si ha l'accensione del combustibile. Nel motore a 4 tempi il ciclo viene completato in 2 giri dell'albero motore e dunque in 4 corse del pistone, due in salita e due in discesa.

L'espansione (che segue l'accensione comandata al termine della compressione) è l'unica corsa attiva del motore termico, le altre 3 avvengono per inerzia

mu X a a ny ala a

I motori a 4 tempi sono dotati di valvole (aspirazione e scarico) https://it.wikipedia.org/wiki/File:4-Stroke-Engine.gif.

Fasi e Tempi del Motore Endotermico a 2 Tempi

Nel motore a 2 tempi il ciclo descritto per il motore a 4 tempi si completa in un giro dell'albero motore e dunque in due corse del pistone, una salita e una discesa.

NON vi sono valvole, bensì luci ricavate sulle pareti del cilindro. Da una di esse entra il fluido attivo - FA - (benzina miscelata con una certa percentuale di olio lubrificante), da un altra escono i gas della combustione.

Purtroppo, insieme a questi ultimi esce parte del FA, provocando inquinamenti e perdite.

(0)123RF* Burning fuel forces piston down, compressing fuel mixture in crankcase. PREMIUM Fuel is compressed and ignited. Transfer port is uncovered and fuel mixture forced into cylinder. Transfer port is covered. Burned fuel is pushed out by compressed fuel mixture. Fuel mixture is drawn into crankcase. crankcase valve open Intake port is covered and valve forced closed. O O Upstroke Downstroke PM S PMI ()123RF'

Cicli Termodinamici dei Motori Endotermici

I M.E. di uso comune seguono uno dei seguenti tre cicli termodinamici:

• Ciclo Otto
• Ciclo Sabathé o o semi Diesel o Diesel veloce
• Ciclo Diesel

Ciclo Otto (detto: ad accensione comandata, e non più «a scoppio»): il fluido aspirato durante la discesa è benzina carburata; l'accensione di questa miscela è comandata da una candela per cilindro, che rilasci una scintilla quando il pistone è al PMS.

Ciclo Sabathé e Diesel (detti: ad accensione spontanea): Il fluido aspirato è aria, il combustibile viene iniettato in forma di finissime goccioline PMS (l'iniettore è dotato di un polverizzatore) quando il pistone è prossimo al PMS e si accende quando viene a contatto con l'aria contenuta nella camera di combustione, aria che è ad alta temperatura (può raggiungere i 2000°) a causa delle alte pressioni (2500 bar).

I motori a 4 tempi sono dotati di valvole (aspirazione e scarico) I motori a 2 tempi presentano luci nelle pareti del cilindro https://it.wikipedia.org/wiki/File:4-Stroke-Engine.gif.

Componenti del Motore

M. 4T: Cilindro - Pistone (o Stantuffo) - Valvole

Molla alvola Asta Candela Puntena `Eccentrico Pistone Biella Albero a camme Valvola alloggiata nella testata nei motori a 4 tempi. Ve ne sono almeno due per cilindro: aspirazione e scarico Valvola e stelo

M. 2T: Cilindro - Pistone (o Stantuffo) - Luci

Fuel is compressed and ignited. Transfer port is covered. Transfer port is uncovered and fuel mixture forced into cylinder. Fuel mixture is drawn into crankcase. crankcase valve open Intake port is covered and valve forced closed. RF Upstroke

Accensione nei Motori

L'accensione NON è una fase, bensì fa parte della fase di compressione. Avviene nella sua fase terminale, ovvero quando il pistone sta per raggiungere il PMS.

.P PMS PMI V P PMS PMI V P .. PMS PMI. V.

Nel ciclo Otto (motori a benzina carburata con aria che viene accesa da una candela) il segmento verticale è dovuto all'impennata della pressione nel cilindro (P) causata da una accensione talmente rapida da avvenire a volume costante (isocora), in quanto il pistone non ha il tempo di iniziare il movimento verso il PMI.

Nel ciclo Diesel (nafta polverizzata che viene accesa dal contatto con aria resa caldissima dalla pressione molto elevata all'interno del cilindro) il segmento orizzontale è dovuto alla gradualità della combustione, grazie alla quale gradualità il pistone ha il tempo di muoversi verso il PMI mentre perdura l'accensione. La combustione, dunque, avviene a pressione costante (isobara).

Il ciclo Sabathé o semi-Diesel o Diesel veloce (gasolio) è caratterizzato da una combustione a velocità intermedia fra i due cicli precedenti; sono pertanto presenti sia il segmento verticale (combustione rapida, dunque isocora) che quello orizzontale (combustione graduale, dunque isobara).

Trasformazioni di Energia e Rendimento Termodinamico

Generalità. Nei motori termici l'energia chimica viene trasformata prima in calore e questo successivamente in energia meccanica che verrà prelevata all'albero motore (o meglio al volano). Ogni trasformazione implica dissipazioni di energia e di materia, e dunque la riduzione del rendimento totale del sistema.

Rendimenti del motore endotermico. Nel motore endotermico si individuano due rendimenti: il rendimento termodinamico e il rendimento meccanico, al quale si aggiunge il grado di riempimento, chiamato in precedenza rendimento volumetrico. Trattasi però di un falso rendimento, perché può superare l'unità.

Rendimento termodinamico. Il rendimento termodinamico ne può essere espresso mediante il rapporto fra il calore oppure il lavoro, in ogni caso inferiore all'unità: ne < 1:

ne = 2 - Li Ltot

Q = calore totale ottenuto dall'accensione del combustibile ; con: q = quota parte di Q trasformata in lavoro L = lavoro indicato, che è definito così perché misurabile in laboratorio mediante degli indicatori e corrisponde alla quantità di calore q Ltot = lavoro che corrisponde alla trasformazione della quantità totale di calore Q (della quale solo q è trasformata in lavoro)

Prendere nota: ne Sabathe > ne Otto