Capitolo 4 - Motori a combustione interna

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Capitolo 4 - Motori a combustione interna
Istituto Professionale Statale per l'Industria e l'Artigianato
"L.B. Alberti" - Rimini
Anno Scolastico 2009/2010
Corso di Meccanica, Macchine e Impianti Termici
CAPITOLO 4
MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA
Prof. Matteo Intermite
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4. FUNZIONAMENTO DEL MOTORE A 4 TEMPI
4.1 LE 4 FASI DEL CICLO
Il motore è costituito essenzialmente da uno stantuffo che scorre in un cilindro spinto
periodicamente dalla pressione dei gas di combustione compressi tra il cilindro e lo
stantuffo stesso. Detto anche motore a quattro tempi perché l'intero ciclo si compie in
quattro fasi corrispondenti ad una rotazione di 720° dell'albero motore (2 giri, quattro
corse dello stantuffo).
Sequenza delle fasi:
Il pistone dal PMS (punto morto superiore)
scende al PMI (punto morto inferiore).
Durante questa fase la miscela preformata
di aria e carburante è aspirata, attraverso
l'apposita valvola, dal pistone. Giunto lo
stantuffo al PMI termina la corsa di
aspirazione, si chiude la valvola aspirazione
ed ha inizio la seconda fase:
FASE DI COMPRESSIONE
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Si effettua la compressione della miscela
aspirata nella camera di compressione per
mezzo dello spostamento del pistone dal
PMI al PMS. Giunto il pistone al PMS, fra gli
elettrodi della candela scocca la scintilla che
provoca la combustione della miscela
compressa; ha quindi inizio la terza fase:
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Si verifica l’espansione dei gas di
FASE DI ESPANSIONE
combustione che ha per effetto la spinta del
pistone verso il PMI, ed è in questa fase che
si trasferisce il lavoro utile sull’albero
motore. Quando il pistone ha raggiunto il
PMI inizia la quarta fase:
FASE DI SCARICO
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Vengono scaricati i gas combusti
attraverso la valvola di scarico. Essi
vengono espulsi dal cilindro all’atmosfera
per effetto della spinta dello stantuffo
risalente dal PMI al PMS. Raggiunto il
PMS la valvola di scarico si chiude, si
apre quella di aspirazione ed ha inizio un
altro ciclo.
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4.2 CICLO OTTO TEORICO (Motori ad accensione comandata)
Esaminiamo adesso il ciclo teorico che caratterizza il principio di funzionamento di un
motore a carburazione a quattro tempi. Supponiamo che lo stantuffo si trovi inizialmente
al punto morto superiore e sia dotato di una certa energia cinetica residuo del
precedente ciclo sufficiente a fargli compiere gli spostamenti preliminari necessari per
realizzare le prime fasi. Il ciclo teorico si completa in quattro corse dello stantuffo, e
precisamente:
0-1:
Lo stantuffo muovendosi verso il basso, aspira la miscela attraverso la valvola di
aspirazione, mentre è chiusa quella di scarico; si suppone che tale aspirazione
avvenga a pressione costante (atmosferica).
1-2:
Si chiudono ambedue le valvole e la miscela viene compressa aumentando la
pressione e la temperatura; al termine della corsa avviene la combustione della
miscela.
2-3:
Combustione, si suppone che tale trasformazione avvenga a volume costante, in
virtù della rapidità con cui si sviluppa. La pressione si innalza fortemente ed i gas
combusti esercitano una forte spinta sullo stantuffo.
3-4:
Permangono chiuse le valvole e lo stantuffo si muove per effetto della spinta
esercitata dai prodotti della combustione che si espandono dentro il cilindro; al
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termine della corsa, si apre istantaneamente la valvola di scarico a la pressione
subisce una improvvisa diminuzione per la fuoriuscita di una parte dei gas
combusti (4 -1).
4-1
Scarico spontaneo.
1-0
Scarico forzato. Si ottiene la completa espulsione dei prodotti residui attraverso
la valvola di scarico che rimane aperta per tutta questa fase che si suppone
avvenga anch’essa a pressione atmosferica.
Il ciclo teorico è così concluso ed il cilindro e pronto per ricevere altra miscela.
4.3 CICLO OTTO REALE (Motori ad accensione comandata)
Il ciclo termico reale, cioè quello che si potrebbe direttamente rilevare da un manometro
installato sul cilindro non coincide con quello teorico che abbiamo descritto, per il quale
avevamo introdotto diverse ipotesi semplificative. In realtà si manifestano le seguenti
discordanze:
-
La fase di aspirazione non avviene alla pressione atmosferica, ma ad una pressione
leggermente inferiore, essendo conseguente alla depressione che il pistone crea
durante la discesa dal PMS al PMI.
-
analogamente, la fase di scarico avviene ad una pressione lievemente superiore a
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quella atmosferica poiché i gas combusti sono spinti verso l'esterno dall'azione
premente dello stantuffo che si sposta dal PMI al PMS.
Ne consegue che l’area racchiusa dalle due curve indica il lavoro perso per caricare e
scaricare il cilindro rispettivamente di miscela fresca e di prodotti della combustione.
-
La fase di espansione e quella di compressione non coincidono con quelle teoriche
perché parte del calore che viene generato durante la combustione viene perso a
causa del raffreddamento e delle dissipazioni interne.
-
La fase di combustione non è istantanea, ma richiede per il suo svolgimento un
intervallo di tempo, seppur brevissimo, poiché il fronte di fiamma si propaga ad alta
velocità raggiungendo tutti i punti della camera di combustione; la relativa
trasformazione avviene perciò a volume crescente conseguendo un minor
incremento sia di pressione che di temperatura.
-
Oltre a quanto esposto, occorre tener presente l'effetto dello strozzamento subito
dal fluido nell'attraversamento delle valvole e l'inerzia di queste all'apertura ed
alla chiusura; il ciclo indicato (reale) assume in definitiva l'aspetto della figura
illustrata a pagina precedente, e produce un lavoro minore di quello previsto dal
ciclo teorico.
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4.4 CICLO DIESEL TEORICO
Esaminiamo adesso il ciclo teorico che caratterizza il principio di funzionamento di un
motore DIESEL a quattro tempi. Supponiamo che lo stantuffo si trovi inizialmente al
punto morto superiore e sia dotato di una certa energia cinetica residuo del precedente
ciclo sufficiente a fargli compiere gli spostamenti preliminari necessari per realizzare le
prime fasi. Il ciclo teorico si completa in quattro corse dello stantuffo, e precisamente:
0-1:
Lo stantuffo muovendosi verso il basso, aspira l’aria attraverso la valvola di
aspirazione, mentre è chiusa quella di scarico; si suppone che tale aspirazione
avvenga a pressione costante (atmosferica).
1-2:
Si chiudono ambedue le valvole e l’aria viene compressa aumentando la
pressione e la temperatura; al termine della corsa avviene l’iniezione del
combustibile (DIESEL) attraverso l’iniettore.
2-3:
Combustione, si suppone che tale trasformazione avvenga a pressione costante,
in virtù del fatto che la combustione avviene in un determinato tempo (più lento
del ciclo OTTO) e che il pistone, durante la combustione, compia già una parte
della discesa dal PMS al PMI.
3-4:
Permangono chiuse le valvole e lo stantuffo si muove per effetto della spinta
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esercitata dai prodotti della combustione che si espandono dentro il cilindro; al
termine della corsa, si apre istantaneamente la valvola di scarico a la pressione
subisce una improvvisa diminuzione per la fuoriuscita di una parte dei gas
combusti (4 -1).
4-1
Scarico spontaneo.
1-0
Scarico forzato. Si ottiene la completa espulsione dei prodotti residui attraverso
la valvola di scarico che rimane aperta per tutta questa fase che si suppone
avvenga anch’essa a pressione atmosferica.
Il ciclo teorico è così concluso ed il cilindro e pronto per ricevere altra aria.
4.5 CICLO DIESEL REALE
Il ciclo termico reale, cioè quello che si potrebbe direttamente rilevare da un manometro
installato sul cilindro non coincide con quello teorico che abbiamo descritto, per il quale
avevamo introdotto diverse ipotesi semplificative. In realtà si manifestano le seguenti
discordanze:
-
La fase di aspirazione non avviene alla pressione atmosferica, ma ad una pressione
leggermente inferiore, essendo conseguente alla depressione che il pistone crea
durante la discesa dal PMS al PMI.
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-
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analogamente, la fase di scarico avviene ad una pressione lievemente superiore a
quella atmosferica poiché i gas combusti sono spinti verso l'esterno dall'azione
premente dello stantuffo che si sposta dal PMI al PMS.
Ne consegue che l’area racchiusa dalle due curve indica il lavoro perso per caricare e
scaricare il cilindro rispettivamente di miscela fresca e di prodotti della combustione.
-
La fase di espansione e quella di compressione non coincidono con quelle teoriche
perché parte del calore che viene generato durante la combustione viene perso a
causa del raffreddamento e delle dissipazioni interne.
-
La fase di combustione non è a pressione costante, ma dato che richiede per il suo
svolgimento un intervallo di tempo, la pressione varia al variare della posizione del
pistone e dell’avanzamento della reazione di combustione.
-
Oltre a quanto esposto, occorre tener presente l'effetto dello strozzamento subito
dal fluido nell'attraversamento delle valvole e l'inerzia di queste all'apertura ed
alla chiusura; il ciclo indicato (reale) assume in definitiva l'aspetto della figura
illustrata a pagina precedente, e produce un lavoro minore di quello previsto dal
ciclo teorico.
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4.6 DIAGRAMMA POLARE
In realtà come già detto, la durata delle fasi di apertura delle valvole è maggiore di
quanto previsto dal ciclo teorico, in considerazione degli effetti prodotti dall'inerzia al
moto opposta dal fluido nell'istante dell'apertura a della chiusura e al tempo di apertura
e chiusura delle valvole, più precisamente:
-
A.A. La valvola di aspirazione si apre prima che
lo stantuffo abbia raggiunto il PMS (riferendo
l'anticipo di apertura agli angoli descritti dalla
manovella principale, esso viene mediamente
tenuto intorno al 20°=25° fino a 30°=35° nei
motori spinti);
-
R.A. La stessa valvola non si chiude nell'istante
in cui lo stantuffo giunge al PMI, ma con un
certo ritardo per sfruttare l'inerzia posseduta
dalla miscela entrante ed ottenere così un
riempimento più completo del cilindro a
vantaggio della potenza erogata. Il ritardo alla
chiusura varia fra 20° a 40° (nei motori veloci
50°=60°) di rotazione della manovella principale
-
A.S. Per dar tempo sufficiente ai gas combusti
di deffluire all'esterno, in modo che la nuova
miscela risulti più pura possibile, è conveniente
anticipare anche l'apertura della valvola di
scarico; tale anticipo si può ritenere pari a
40°=60° di rotazione della manovella, tanto
maggiore quanto più elevata a la velocità di
rotazione.
-
R.S. É bene ritardare anche la chiusura della
valvola di scarico per sfruttare l’inerzia dei gas
combusti; il ritardo alla chiusura di questa
valvola è in genere inferiore all'anticipo
all'apertura previsto per quella di aspirazione;
mediamente si può ritenere che esso oscilli fra
15° a 30°.
Il complesso di anticipi e ritardi altera sensibilmente la durata delle fasi del motore che,
nel caso teorico, dovrebbero avvenire ciascuna in una corsa dello stantuffo; l’effettiva
estensione delle fasi viene messa in evidenza nel cosiddetto «diagramma polare» che,
per un motore a quattro tempi, comprende due giri completi dell'albero motore; da
questo si rileva che per un breve arco di tempo sono aperte ambedue le valvole
(aspirazione e scarico) il che, se da un punto di vista consente un miglior rendimento
volumetrico, da un altro comporta una leggera perdita di miscela che effluisce
direttamente allo scarico insieme ai gas combusti.
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4.7 COMBUSTIONE
Il fenomeno fisico della combustione può essere rappresentato dalle seguenti
trasformazioni che riportano a sinistra della freccia gli elementi che concorrono alla
reazione e a destra i prodotti della reazione.
In una combustione perfetta:
C + O2 → CO2 + Calore
2 H 2 + O2 → 2 H 2O
C
O2
Carbonio
Ossigeno
CO2
Anidride Carbonica
H2
Idrogeno
H 2O
Acqua
In una combustione con carenza di Ossigeno (oppure con eccesso di combustibile) le
trasformazioni si modificano nel seguente modo:
C + O2 (↓) → CO2 + CO + Calore
2 H 2 + O2 (↓) → 2 H 2O + H 2
Oltre alla produzione di Anidride Carbonica e di Acqua si forma anche il monossido di
carbonio (gas molto velenoso e inodore) a causa dalla incompleta ossidazione del
carbonio nella camera di combustione.
In una combustione con eccesso di Ossigeno (oppure con carenza di combustibile) le
trasformazioni si modificano nel seguente modo:
C + O2 (↑) → CO2 + O2 + Calore
2 H 2 + O2 (↑) → 2 H 2O + O2
Oltre all’Anidride Carbonica e all’acqua allo scarico è presente dell’Ossigeno che non
ha reagito a causa di una carenza di Carbonio. Una combustione con “eccesso d’aria”
ha un ottimo rendimento garantendo una totale ossidazione del Carbonio, ma a causa
dell’elevata reazione la temperatura di combustione è particolarmente elevata e può
causare surriscaldamenti e rotture meccaniche.
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4.8 INQUINANTI E MARMITTA CATALITICA
I motori montati sui mezzi di trasporto costituiscono sorgenti di notevole inquinamento
atmosferico in particolare nelle aree urbane ad intenso traffico. Nei gas scaricati sono
contenuti diversi inquinanti tra cui ricordiamo:
1. ossido di carbonio (CO);
2. ossidi di azoto (NOx);
3. idrocarburi (HC);
4. particolato (particelle solide derivate dalla ossidazione incompleta del combustibile o
composti metallici ed additivi in esso presenti);
5. zolfo (da impurità del combustibile);
6. anidride carbonica (che sul lungo periodo può contribuire a modificare il clima, attraverso
l’effetto serra).
Poiché è ormai provato da tempo che tali inquinanti costituiscono un grave pericolo per la
nostra salute, il Legislatore ha imposto, negli ultimi decenni, limiti sempre più severi per
quanto riguarda il livello massimo di emissioni dei motori per autoveicoli. Per meglio
comprendere il modo per abbattere gli inquinanti, è indispensabile valutare le relazioni tra
gli inquinanti stessi e alcuni parametri fondamentali del processo di combustione.
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Ossido di carbonio CO
I risultati sperimentali confermano che l’unica variabile in grado di influenzare sensibilmente
la concentrazione di CO nei gas di scarico è il rapporto aria/combustibile. Il CO aumenta
rapidamente in conseguenza del difetto di ossigeno, ma scende a valori molto bassi per
miscele povere. Quando i motori ad accensione comandata funzionano con un rapporto di
miscela vicino allo stechiometrico, le emissioni di CO sono in genere contenute.
Idrocarburi Incombusti HC
In pratica solo il rapporto di miscela aria/carburante e l’anticipo all’accensione influenzano
largamente la concentrazione di idrocarburi incombusti. Il rapporto di miscela può far sì
che la combustione avvenga più o meno completamente e rapidamente, facendo così
variare la temperatura nella camera di combustione. Diminuendo l’antico all’accensione, si
ritarda anche il completamento della combustione
che continua nella prima parte del
collettore di scarico coinvolgendo anche gli idrocarburi incombusti espulsi dal cilindro. Per
mantenere gli HC bassi non bisogna utilizzare miscele molto ricche di aria perché a causa
della cattiva combustione gli HC tendono ad aumentare.
Ossidi Azoto NOx
La presenza di NOx dipende sostanzialmente da due fattori:
• valori massimi di temperatura raggiunti in camera di combustione (all’aumentare della
temperatura aumenta la produzione di NOx);
• contenuto di ossigeno della miscela di alimentazione (all’aumentare di ossigeno
aumenta la produzione di NOx).
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Marmitta Catalitica
Per limitare lo scarico in atmosfera degli inquinanti nei motori di ultima generazione,
equipaggiati con alimentazione tramite iniezione elettronica, viene installata una
marmitta catalitica in grado di far reagire gli inquinanti nel seguente modo:
NOx → N 2
CO → CO2
HC → H 2O
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4.9 MOTORE A DUE TEMPI A CICLO OTTO
Come dice il termine, si differenzia dal 4 tempi (per compiere un ciclo di lavoro
occorrono 4 corse del pistone) per avere poter realizzare un ciclo di lavoro con solo
due corse del pistone. Infatti le fasi del motore a due tempi sono compressioneaspirazione la prima ed espansione-scarico la seconda.
Compressione-Aspirazione: tramite una luce di aspirazione(oppure valvola a lamelle)
viene introdotta la miscela aria-carburante nel carter inferiore del motore dove tramite
dei travasi viene spinta dal pistone che scende verso il PMI facendo passare la miscela
dal carter al cilindro. Una volta che il pistone raggiunge il PMI, il travaso è totalmente
aperto e quindi la miscela ha completato il passaggio dal carter al cilindro.
Il pistone è al PMS e la luce di aspirazione è
in comunicazione con il CARTER sotto al
pistone. La miscela di aria carburante inizia
ad entrare nel carter.
La miscela inizia a salire dal travaso spinta
dal pistone che si muove dal PMS al PMI.
La miscela occupa il posto dei gas di
scarico che vengono spinti nella luce di
scarico fuori dal cilindro.
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Il pistone si muove dal PMI al PMS e chiude
prima la luce di travaso e poi quella di
scarico. Una parte della miscela viene
inevitabilmente persa nello scarico.
Il pistone completa la risalita fino al PMS,
comprime la miscela presente nel cilindro e
tramite lo scocco della scintilla generata
dalla candela avviene la combustione.
Il pistone, grazie all’energia prodotta dalla
combustione, si muove dal PMS al PMI e
apre prima la luce di scarico e poi quella di
travaso.
Espansione-Scarico: una volta che il pistone comincia la sua risalita il travaso viene
coperto e quindi la miscela non può più entrare mentre il condotto di uscita è
posizionato più in alto e quindi una minima parte della miscela viene sprecata. Una
volta coperti entrambi i condotti, la candela brucia la miscela che per effetto detonante
fa scendere il pistone verso il PMI. Come detto prima, il condotto d’uscita è più in alto
rispetto al travaso d’entrata quindi i gas di scarico liberano il cilindro prima che la
miscela possa entrare.
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Il funzionamento del motore a due tempi può essere rappresentato tramite due
diagrammi Pressione – Volume, uno per il Cilindro e uno per il Carter.
L’area di sinistra rappresenta il lavoro (motrice) che viene generato dalla combustione e
l’area di destra rappresenta il lavoro (speso) necessario per aspirare la miscela dal
carburatore al carter e per trasferirla dal Carter al Cilindro tramite il condotto di travaso.
Il lavoro utile del ciclo è la differenza delle due aree.
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4.10 CURVE CARATTERISTICHE
Le prestazioni di cui è capace un motore sono definite dalle curve caratteristiche, cioè
dai diagrammi che rappresentano le variazioni di potenza, di coppia motrice e di
consumo del combustibile al variare del numero di giri.
Queste curve vengono generalmente realizzate mediante i rilevamenti eseguibili al
banco. Nella quasi totalità dei casi, le condizioni di funzionamento prevedono la
massima alimentazione (cioè a carburatore tutto aperto oppure con la pompa di
iniezione regolata a pieno carico).
Analizziamo separatamente le tre curve al fine di poter trattare nella maniera più
esauriente possibile il metodo che ne consenta una attenta lettura ed interpretazione.
•
Curva di coppia: con il termine "coppia" si intende il momento torcente che
l’albero motore può trasmettere. Il grafico della curva di coppia si realizza
sperimentalmente per punti, frenando un motore al banco per mezzo di freni
idraulici o elettrici. La curva suddetta viene rappresentata su un piano cartesiano
che riporta sull’asse delle ascisse il numero di giri che l’albero motore compie
nell’unità di tempo (giri/min.) e sull’asse delle ordinate la coppia motrice MT
espresso in Nm.
Come si può vedere l’andamento della curva di coppia è, nel primo tratto,
rapidamente crescente. Si raggiunge poi il punto di massimo assoluto della curva
in corrispondenza del cambiamento di pendenza della curva della Potenza.
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•
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Curva di potenza: innanzi tutto è importante rilevare che la potenza effettiva di
un motore risulta, per una certa cilindrata e un determinato numero di giri,
proporzionale alla coppia motrice secondo l’equazione:
P = C ⋅ω = C ⋅
2 ⋅π ⋅ n
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C = Coppia [Nm];
ω=numero di giri [rad./sec.]
n = numero di giri [giri/min.]
E’ quindi logico aspettarsi che l’andamento della curva di potenza sia
strettamente legato a quello della curva di coppia. Infatti, osservando il grafico è
facile notare come inizialmente la curva di potenza sia crescente e presenti una
forte pendenza; questo aspetto è giustificato dal fatto che, nel tratto iniziale,
anche la curva di coppia sale con rapidità. Superato il valore di coppia massima,
la potenza indicata tuttavia continua ancora a crescere perché l’aumento del
numero di giri è preponderante rispetto alla diminuzione del valore della coppia.
Continuando ad aumentare la velocità di rotazione del motore, si raggiunge un
valore (punto A) oltre il quale la potenza cala a causa dei rendimenti globali della
macchina, che sono inversamente proporzionali al numero di cicli.
•
Curva dei consumi: osservando il grafico precedentemente riportato, si evince
che la curva dei consumi (espressi in g/kWh) presenta dapprima un andamento
decrescente, poi, raggiunto il punto di minimo assoluto, inizia a crescere.
Al contrario delle curve di potenza e coppia che sono intrinsecamente legate da
una relazione matematica, l’andamento della curva dei consumi è influenzato da
troppi parametri variabili per standardizzarne il comportamento. In generale
possiamo dire che il minimo consumo di carburante si ha a un numero di giri
compreso tra quello che identifica la coppia massima e quello che identifica la
potenza massima.
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4.11 SOVRALIMENTAZIONE
La sovralimentazione di un motore a combustione interna consiste tecnicamente
nell’immissione, in camera di combustione, di fluido (aria o miscela aria-combustibile) a
pressione maggiore di quella atmosferica che si avrebbe in un motore “aspirato”, cioè
dove il fluido è richiamato per effetto della depressione creata dal movimento alternativo
del pistone.
E’ noto che la potenza erogata da un motore dipende, oltre che dal regime di rotazione
(velocità media del pistone), anche dalla Pressione in Camera di Combustione.
Risulta quindi possibile aumentare la potenza:
− aumentando il regime di rotazione;
− aumentando la Pressione in camera di combustione;
Nel primo caso ho comunque limiti strutturali da rispettare. Infatti non è consigliabile
spingersi a regimi di rotazione del motore troppo elevati in quanto la durata di un
motore è proporzionale alla velocità media del pistone e il funzionamento ad elevato
numero di giri comporta un calo del rendimento.
Ciò che posso aumentare, invece, è la pressione media effettiva , dotando i collettori di
aspirazione di meccanismi che creano una sovrapressione che in pratica aumenta la
densità di aria (motori diesel) o miscela (motori otto) immessa in camera di
combustione.
Poiché la quantità di combustibile che può essere bruciata ad ogni ciclo e’
proporzionale alla quantità di O2 introdotta nel cilindro, l’energia termica liberata nel
processo di combustione sarà maggiore di quella sviluppata con densità di carica
standard.
La legge dei GAS dice che:
P ⋅V = n ⋅ R ⋅ T
dove:
P = Pressione del Gas nel cilindro;
V = Volume occupato dal GAS (Volume del cilindro + Camera di Combustione);
n = numero d Moli di GAS (Indica la quantità di materia che entra nel cilindro);
R = Costante dei GAS
T = Temperatura del GAS
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Ne deriva che:
P(↑) =
n(↑) ⋅ R ⋅ T (↑)
V
Aumentando la pressione, aumenta la quantità di materia che entra nel cilindro e la
temperatura del GAS. R e V non possono cambiare perché sono costanti.
Per evitare il problema dell’innalzamento della temperatura viene utilizzato uno
scambiatore di calore aria/aria per il raffreddamento dell’aria dopo la compressione in
modo da massimizzare l’aumento di n (quantità di materia che entra nel cilindro).
1 – Centralina elettronica di iniezione – accensione;
2 – Cassoncino d’aspirazione / filtro aria;
3 – Scambiatore di calore (intercooler) aria / aria;
4 – Valvola Wastegate (Valvola di sovrapressione);
5 – Compressore centrifugo;
6 – Turbina e scarico;
7 – Collettore di scarico;
8 – Collettore di aspirazione.
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