Introduzione ai motori a combustione interna e al ciclo Otto

Introduzione ai Motori a Combustione Interna

1. Introduzione Le macchine a combustione interna sono spesso denominate motori perché sono in larga parte impiegate nei sistemi di trazione (settore trasporti). L'energia termica (calore) viene prodotta all'interno della stessa macchina bruciando un combustibile. I prodotti della combustione espandono e producono lavoro meccanico. Le macchine a combustione interna sono a ciclo aperto. Tuttavia per lo studio delle caratteristiche termodinamiche si fa riferimento a cicli chiusi funzionanti con il fluido aria, somiglianti al ciclo reale della macchina. In base al tipo di meccanismo che utilizza la macchina per raccogliere il lavoro compiuto, i motori a combustione interna si distinguono in:

• ALTERNATIVI: motori a scoppio e diesel;
• ROTATIVI: turbina a gas, turboeliche, turboreattori;
• STATICI: motori a razzo.

Appartengono alla categoria dei motori a combustione interna i motori a benzina, i motori diesel e le turbine a gas.

Motori a Benzina

I motori a benzina impiegano un combustibile leggero liquido, la benzina, che può essere avviato alla combustione secondo due modalità differenti: nei motori a carburazione (di vecchia concezione) la benzina è fatta evaporare e mescolata con aria in proporzioni stechiometriche in uno speciale dispositivo chiamato carburatore. Nei motori ad iniezione (di moderna concezione), invece, la benzina è immessa direttamente nel cilindro attraverso uno speciale organodenominato iniettore, al quale la benzina perviene allo stato liquido; il cilindro aspira direttamente dall'esterno l'aria necessaria per la combustione.

CA CS PCD AVA VS C P B AM M Figura 1: Schema di un cilindro. La figura 1 riporta lo schema di un cilindro di un motore a combustione interna. Si individuano i seguenti elementi:

• CA= condotto di aspirazione;
• AM = albero motore;
• CD = candelao VA = valvola di aspirazione;
• CS = condotto di scarico;
• VS = valvola di scarico;
• P = pistone;
• C = cilindro;
• B = biella;
• M = manovella.

Si definisce Punto morto superiore (PMS) il punto in cui il pistone si trova più vicino alla testa del cilindro. Si definisce Punto morto inferiore (PMI) il punto in cui il pistone si trova più lontano dalla testa del cilindro. Si definisce corsa la distanza tra il PMS e il PMI percorsa dal pistone. Infine, si definisce Cilindrata unitaria (V) il volume generato dal pistone durante la corsa.

Funzionamento e Ciclo Otto

2. Funzionamento e ciclo Otto I motori alternativi a quattro tempi ad accensione comandata equipaggiano buona parte degli autoveicoli: il ciclo compiuto dal fluido operante all'interno del cilindro richiede quattro corse del pistone, corrispondenti ciascuna ad una fase del ciclo. Le quattro fasi sono le seguenti:

Fase di Aspirazione

Fase di aspirazione (figura 2) In questa prima fase il pistone, spostandosi dall'alto verso il basso, richiama il fluido fresco (miscela aria e benzina) nel cilindro. L'ingresso del fluido dal condotto di aspirazione CA è reso possibile dall'apertura della valvola di aspirazione VA che avviene poco prima che inizi la corsa discendente dello stantuffo. All'inizio della fase di aspirazione, il pistone si trova nella posizione più lontana dall'albero motore, denominata Punto Morto Superiore (PMS); durante l'aspirazione il pistone si sposta verso il basso fino ad arrivare alla posizione più vicina all'albero motore, denominata Punto Morto Inferiore (PMI).Valvola Condotto d'aspirazione d'aspirazione aperta Pistone Figura 2: Fase di aspirazione.

Fase di Compressione

Fase di compressione (figura 3) Terminata la fase di aspirazione il pistone inizia la sua corsa ascendente, contemporaneamente la valvola di aspirazione si chiude e la miscela viene compressa nella camera di combustione.Valvola d'aspirazione chiusa Valvola di scarico chiusa Figura 3: Fase di compressione.

Fase di Combustione ed Espansione

Fase di combustione ed espansione (figura 4) Alla fine della fase di compressione, quando il pistone è tornato al PMS, avviene l'accensione della miscela innescata mediante una scintilla elettrica scoccata dalla candela. La combustione provoca il repentino aumento di pressione e temperatura del fluido contenuto nel cilindro che, in tal modo, compie lavoro utile durante la nuova corsa discendente del pistone (fase di espansione), cedendo lavoro meccanico all'albero motore mentre le valvole sono chiuse.

Fase di Scarico

Fase di scarico (figura 5) Quando il pistone giunge al PMI si apre la valvola di scarico ed ha luogo la quarta fase. I gas combusti cominciano a uscire dal cilindro spinti dal pistone che si muove verso l'alto. Terminata questa fase la valvola di scarico si chiude, nel frattempo si riapre quella di aspirazione e inizia così un nuovo ciclo.Valvole chiuse Candela (scintilla elettrica) giro 2 Figura 4: Fase di combustione ed espansione. Valvola di scarico apertaFigura 5: Fase di scarico. Durante le fasi di funzionamento, le grandezze termodinamiche seguono un particolare andamento descritto dal diagramma indicato nelle figure 6 e 7. Il ciclo di riferimento per i motori a benzina è il Ciclo Otto Teorico ad aria. La combustione avviene in un tempo brevissimo durante il quale non ci sono variazioni di volume del cilindro e quindi il volume specifico del fluido in esso contenuto; la compressione e l'espansione del fluido all'interno del cilindro possono essere considerate in prima approssimazione adiabatiche. Il ciclo Otto teorico è costituito da due adiabatiche (tratti AB e CD) e da due isometriche (tratti BC e DA).4 P C Q1 B L D Q2 E A VB VA V Figura 6: Ciclo Otto sul Piano di Clapeyron P-v.4 T C Q1 ID B Q2 A D G H s Figura 7: Ciclo Otto sul Piano di entropico T-s.

Rendimento e Ciclo Reale

3. Rendimento e ciclo reale Il rendimento energetico del ciclo Otto, in base al secondo principio della termodinamica, viene espresso tramite la seguente relazione: n =1- Q1 Q2 Sostituendo a Q1 (trasformazione isocora BC) e Q2 (trasformazione isocora DA) l'espressione del calore scambiato da una isocora si ottiene: Q1 = QBC = Yv (Tc -TB) Q2 = QDA = Yv (TD -TA) E pertanto: n=1- Yv (Tc -TB) Yv (TD -TA) Il fluido è approssimato con un gas perfetto, quindi si possono operare delle semplificazioni all'espressione precedente, in quanto il calore specifico a volume costante non varia con la temperatura ed assume lo stesso valore per le due trasformazioni BC e AD. Pertanto il rendimento si può esprimere in funzione delle sole temperature operanti nel ciclo Otto: n =1- (TD -TA) (Tc -TB) (1)Considerando inoltre l'equazione generica delle adiabatiche per i gas perfetti: Tx Vx-1 = cost Nel caso delle 2 adiabatiche (trasformazioni AB e CD) del ciclo Otto possiamo scrivere: TAVk-1 = TBV: 1 => TA = TB yk-1 yk-1 B A = TB Vk-1 Vk-1 TDVB-1 = TcV&-1 => TD =Tc Vk-1 VK-1 D = Tc Vk-1 yk-1 V1 Sostituendo le espressioni di TA e TD ottenute all'interno della (1) ed effettuando semplici passaggi aritmetici si ottiene: (Tc-TB), VO ik-1 V1 „k-1 n= 1 - (Tc-TB) Da cui si ottiene: n = 1 - 1 Vk-1 1 Vk-1 0 Introducendo il rapporto di compressione p: p = VA = VD VB VcSi ottiene l'espressione finale del rendimento del ciclo Otto: n = 1 - ρ 1 K-1 Dove:

• k: rapporto tra calori specifici a pressione e volume costante (cp/cv);
• p: rapporto di compressione VA/VB.

k = Cp/Cv = 1,4 per l'aria Il rendimento di un ciclo Otto dipende soltanto dal rapporto di compressione. Come si evince dalla figura 8 il rendimento aumenta all'aumentare del rapporto di compressione p e tende ad 1 per un rapporto di compressione che tende ad infinito. Nella figura è riportato l'andamento del rendimento per un fluido avente k=1,4 (aria). Per p=10, che è tecnicamente raggiungibile nei motori a benzina, il rendimento risulta pari a 0,6. Tale valore rappresenta un limite termodinamico insuperabile. Nel caso reale, il fluido di lavoro è rappresentato da una miscela aria benzina: aumentando il rapporto di compressione aumenta anche la temperatura di fine compressione e di conseguenza l'insorgere di fenomeni indesiderati, quali l'autoaccensione della miscela e la detonazione. Alla luce di tali problemi, il rapporto di compressione dei motori benzina è compreso nel campo 8-10.1 0,9 0,8 0,7 0,6 ₼ 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 5 10 P 15 20 25 Figura 8: Andamento del rendimento del ciclo Otto al variare del rapporto di compressione. Il ciclo reale dei motori a benzina si discosta alquanto dal ciclo di Otto teorico (ed ha pertanto valori del rendimento notevolmente più bassi), in ragione delle seguenti ragioni:

• la combustione non è istantanea e dunque, già durante questo processo, il pistone comincia a spostarsi verso il basso;
• nel ciclo reale esistono le fasi di aspirazione e di scarico, che non sono contemplate nel ciclo teorico; la composizione chimico-fisica del fluido varia nel corso del ciclo, a seguito
• del processo di combustione;
• sia la compressione che l'espansione non sono abiabatiche, ma avvengono con cessione di calore all'esterno, dal momento che il motore raggiunge temperaturemolto più elevate rispetto alla temperatura dell'ambiente esterno e cede dunque calore con continuità all'esterno durante il suo funzionamento.

Il ciclo reale (figura 9) si compone di due parti:

• un ciclo motore, racchiuso dalle trasformazioni di compressione, combustione ed espansione, al quale compete il lavoro positivo L(+);
• un ciclo di lavaggio, racchiuso dalle trasformazioni di scarico e aspirazione, al quale compete il lavoro negativo L(-).

Chiaramente L(+) è, in valore assoluto, molto più grande di L(-). La combustione non è rigorosamente a volume costante, come nel ciclo teorico: il violento aumento di pressione conseguente allo scoppio provoca un modesto spostamento verso il basso del pistone già durante la fase di combustione.punto morto superiore P Pmax combustione L(+) = lavoro del ciclo motore L(-) = lavoro del ciclo di lavaggio espansione L (+) punto morto inferiore - anticipo accensione anticipo allo scarico ritardo all'aspirazione compressione scarico L (-) aspirazione Vmin corsa V < k Vmax < Figura 9: Ciclo reale di un motore benzina.