Lezione 14 Motori a combustione interna alternativi

Transcript

Lezione 14
Motori a combustione interna alternativi
I motori a combustione interna alternativi (o motori a pistoni) sono motori dello stesso tipo di quelli
usati nelle automobili e vengono impiegati in aeronautica per fornire potenza ad un’elica. Sono stati i
primi motori applicati nella propulsione aeronautica e gli unici fino agli anni ’40 del secolo scorso. Oggi
sono impiegati soltanto nell’aviazione leggera, nel campo delle piccole potenze. Verranno studiati brevemente mettendo in evidenza alcuni aspetti peculiari delle applicazioni aeronautiche. Le caratteristiche
principali sono:
Combustione interna (come turbine a gas)
– Miscele stechiometriche (
Funzionamento ciclico: rispetto a turbine a gas temperature di combustione più elevate perché la
sollecitazione termica non è continua ma intermittente e non ci sono parti rotanti sottoposte ad
elevate temperature.
)
– Sistema di raffreddamento
Vengono classificati secondo criteri diversi tra cui quello in base al ciclo termodinamico (o tipo di
accensione):
Accensione comandata (o per scintilla, ciclo Otto-Beau de Rochas): la combustione avviene a
volume costante;
Accensione spontanea (o per compressione, ciclo Diesel): la combustione avviene a pressione
costante;
quello in base al tipo di ciclo operativo (cioè in base al numero di corse effettuate dal pistone in un ciclo
operativo):
Motore a due tempi;
Motore a quattro tempi;
e quello in base al tipo di sistema di raffreddamento:
Motori raffreddati ad aria;
Motori raffreddati ad acqua.
Valvole
Testa
PMS
Candela
PMI
)
Si definisce come il rapporto tra volume totale del cilindro
3
Volume inizio compressione
Volume fine compressione
(14.1)
per brevità viene in genere indicato come rapporto di compressione.
14.2 Ciclo Otto ideale
D’ora in poi ci si riferirà soltanto all’applicazione più comune per i motori a combustione interna alternativi aeronautici che è quella di un motore ad accensione comandata a 4 tempi basato sul ciclo Otto-Beau
de Rochas (cui ci si riferirà per brevità come al ciclo Otto), per quanto siano stati anche utilizzati motori
a due tempi e/o ad accensione per compressione. Con motore a quattro tempi si intende che un ciclo
viene compiuto con quattro corse del pistone (ad ogni ciclo corrispondono due giri della manovella e
quindi dell’albero motore). Ad ogni corsa del pistone (tempo) corrisponde una fase diversa del ciclo
compiuto dal motore. I quattro tempi sono i seguenti (Fig. 14.2):
c
Rapporto di compressione volumetrico
e volume della camera di combustione:
Il motore è costituito da uno o più cilindri (contenitori di forma cilindrica) all’interno di ciascuno dei
quali si muove un pistone (o stantuffo) con un moto rettilineo alternato. La parte superiore del cilindro
è detta testa (Fig. 14.1). Al pistone è quindi collegato un meccanismo biella-manovella che permette di
trasformare il moto alternativo del pistone in moto rotatorio dell’albero motore. Nel cilindro sono inoltre
presenti delle valvole che permettono di regolare l’immissione e l’espulsione della massa gassosa, e, nei
motori ad accensione comandata un dispositivo per l’accensione della miscela (uno o più candele in
grado di produrre una scarica elettrica). Si ricorda di seguito la terminologia comunemente impiegata
per indicare dimensioni e parametri caratteristici di motori a combustione interna alternativi.
Volume spostato dal pistone (
Cilindrata
14.1 Schema e nomenclatura
Lezione 14
2
d
E’ il volume massimo a disposizione della miscela aria-combustibile
E’ il volume minimo a disposizione della miscela aria-
Università di Roma “La Sapienza”
Corso di Propulsione Aerospaziale
Diametro interno del cilindro.
Diametro o alesaggio (bore )
Corsa (stroke ) Distanza tra punto morto superiore e punto morto inferiore. E’ pari a due volte il
raggio della manovella.
1.) Corsa di aspirazione.
In questa fase la massa di gas che evolverà all’interno del cilindro può entrare in esso grazie all’apertura della valvola di aspirazione. Il pistone va da PMS a PMI. Per aumentare la massa introdotta
la valvola si apre prima di PMS e si chiude dopo PMI. La massa di gas all’interno del cilindro cambia mantenendo le proprietà essenzialmente inalterate (almeno nel caso ideale). Tale corsa è quindi
(pressione volume indicato, vedi
rappresentata da un punto ( ) nel piano termodinamico
Fig. 14.3b), mentre è rappresentato dalla linea
nel piano
(vedi Fig. 14.3a). Per quanto
detto sono costanti infatti i valori di e (e quindi di e ) mentre è
Punto morto inferiore (PMI) Indica la posizione del pistone più lontana dalla testa del cilindro,
quella in cui il volume a disposizione della miscela è pari a .
Figura 14.2: Fasi di un motore a combustione interna alternativo a 4 tempi.
Punto morto superiore (PMS) Indica la posizione del pistone più prossima alla testa del cilindro,
quella in cui il volume a disposizione della miscela è pari a .
Volume della camera di combustione
combustibile all’interno del cilindro.
Volume totale del cilindro
all’interno del cilindro.
Figura 14.1: Definizioni di corsa, alesaggio, PMS e PMI.
costante
(14.2)
-,
<
0
;
. <
0
.
e
+ ;
<
;
+ -,
+
isentropiche, ed essendo
:
?@
=
<
. ) (
) (
) (
!
"
) (
e
(14.3)
. ?@
>"
+ ?@
>
?@
!
(14.4)
4.) Corsa di scarico.
Valvola di scarico aperta. I gas combusti escono dal cilindro sia perché a più alta dell’ambiente sia
perché spinti dal pistone che va verso PMS.
-,
/ (
/ (
) (
65
87
9
:
ed essendo le
3.) Corsa di espansione.
Valvole chiuse. Il pistone viene spinto verso il basso. Il gas si espande compiendo lavoro sul pistone.
Prima di PMI si apre la valvola di scarico.
#
#
;
2.) Corsa di compressione.
Valvole chiuse. La miscela all’interno del cilindro viene compressa dal pistone che compie lavoro
sul fluido. Verso la fine inizia la combustione e aumenta più rapidamente. Dopo la chiusura delle
valvole
è costante e quindi è proporzionale a ed entrambi indicano anche la posizione del
pistone.
Per calcolare le prestazioni fornite da una motore basato sul ciclo Otto ideale, si procede analogamente
a quanto fatto in Lezione 4 per il ciclo di turbina a gas, considerando per semplicità che la miscela sia
)
costituita esclusivamente da aria, che essa si comporti come un gas ideale e le sue proprietà (
restino costanti. Se si indica con
la massa di miscela che, chiusa la valvola di aspirazione, evolve
nel cilindro, si ha:
2
.
231
4,
a
5
varia da
aumenta durante questo primo tempo, e
poiché la massa della miscela
Lezione 14
4
. + Il ciclo è simmetrico in quanto compreso tra trasformazioni dello stesso tipo a due a due, e quindi, come
per il ciclo Brayton, vale la proprietà:
(14.5)
3
e quindi il rendimento si scrive come per il ciclo Brayton, ma mentre in quel caso veniva espresso in
termini del rapporto di compressione , nel caso del ciclo Otto si esprime in funzione del rapporto di
compressione volumetrico :
$ A
3
Qe
(14.6)
;
<
?@
1
s
(a) Piano
(b) Piano
v
1
0.8
γ
Qu
1
Il comportamento del rendimento in funzione di è mostrato in Fig. 14.4.
2
4
0
65
8 7
9
:
T
p
4
2
1.4
0.6
ηth,id
1.3
Figura 14.3: Ciclo Otto.
1.2
0.4
0.2
!
5
10
r
15
0
&
'
C
B
65
7
65
7
B (
&
+
-,
'
) (
*
/ #
8
9
:
65
7
) (
(14.7)
avendo considerato il lavoro e il calore per unità di massa ed avendo introdotto il rapporto aria-combustibile
con
. La potenza sviluppata dal motore può essere espressa come:
. &
-,
'
B
D
B
/ E
9
:
8
0
Nelle corse di aspirazione e scarico le proprietà termodinamiche intensive (pressione , temperatura ,
e volume specifico
) sono costanti, varia invece il volume .
D
C
0
.
/ (
*
30
Una volta noto il rendimento del ciclo, si può esprimere il lavoro fornito dal motore in un ciclo come:
.
+ &.
'
) #
25
Figura 14.4: Rendimento termodinamico del ciclo Otto ideale.
.
4-1 Scarico a volume costante. Sottrazione istantanea del calore
20
B (
.
2-3 Combustione a volume costante. Introduzione istantanea del calore
3-4 Espansione isentropica. Lavoro compiuto dal fluido
0
1-2 Compressione isentropica. Lavoro compiuto dal pistone
$ #
%
"
Il comportamento ideale del fluido in un motore ad accensione comandata è ben rappresentato dal
ciclo Otto ideale, mostrato in Fig. 14.3 dalla trasformazione
. In particolare, nei piani
termodinamici
(che coincide con
tranne che per
)e
si possono identificare le
seguenti quattro trasformazioni ideali subite dalla miscela aria-combustibile:
lavoro fornito dal motore in un ciclo
durata del ciclo
(14.8)
Lezione 14
W
ST
F
ST
DU
F
<
$ F
F
troppo alto è necessario un rapporto di riduzione elevato tra
3. Consumo specifico. Nello studio dei cicli reali si vede che assume un minimo per un valore di
basso (
rpm).
(14.10)
2. Velocità di rotazione dell’elica. Se
albero motore ed elica.
65
8 7
9
:
B (
– Il calore non viene acquistato da scambio termico ma da combustione, e viene ceduto con
espulsione del gas e non con scambio termico.
B
Fluido
– Soggetto a perdite di carico
– Muta la sua natura fisica (combustione)
–
variano con la temperatura
– Combustione né istantanea né completa
Di conseguenza il ciclo percorso nel piano
Fig. 14.5. Il ciclo reale, disegnato nel piano
distingue da quella ideale nelle seguenti fasi:
non è più quello ideale, ma quello reale mostrato in
viene detto ciclo indicato 2 . E la sua evoluzione si
2. Detonazione.
Per valori elevati di si innesca il fenomeno della detonazione. Questa si manifesta come un’autoaccensione della miscela nella fase finale della combustione, che provoca onde di pressione che
si propagano rapidamente nel cilindro provocando pressioni irregolari, surriscaldamento locale e
una diminuzione del rendimento. Le condizioni che portano alla detonazione dipendono anche
dal tipo di combustibile.
!
Y
– Le trasformazioni non sono isentropiche né adiabatiche (scambio termico attraverso le pareti)
B
/ #
9
:
8
Q
/
8 E
9
:
NM
9 O
:
L
Macchina
dove
è la massa di combustibile utilizzata per ciascun ciclo.
Dall’analisi del ciclo ideale si può quindi osservare subito che un aumento della potenza insieme ad una
riduzione del consumo specifico riferito alla potenza può essere ottenuto con un aumento del rapporto
di compressione . Si cerca di realizzare motori per quanto possibile con elevati valori di , tuttavia il
valore massimo ammissibile per è limitato da:
F
Sia la macchina sia il fluido si comportano in modo diverso da quello ideale:
(14.12)
1. Pressione massima nel cilindro.
Essa cresce con e ciò comporta strutture più pesanti (in grado di resistere a sollecitazioni
maggiori).
rpm1 .
14.3 Ciclo reale
B P
assumendo cioè che tutto il volume disponibile viene riempito con miscela fresca. Il consumo specifico ottenuto con un combustibile assegnato è invece semplicemente proporzionale all’inverso del
rendimento termodinamico e del potere calorifico del combustibile. Infatti:
$ (14.11)
In conclusione in campo aeronautico
-,
avendo osservato che la massa della miscela può essere espressa come il prodotto della densità con cui
essa viene immessa nel cilindro per la cilindrata:
V
F
/
8 E
9
:
$ I $9
KJ 8 / #
9
:
3G
H $ ; 65
7
C
B (
<
F
e la potenza:
H
F
G3
$ I
$9
KJ
0
(14.9)
F
,
V
,
'
0
H
;
0
F
3G
0
F
X0
e deve essere inferiore ad un valore massimo
, altrimenti si riducono eccessivamente rendimento e durata del motore. Per aumentare mantenendo costante bisogna quindi
ridurre la corsa (a parità di cilindrata perché non si riduca anche la potenza). Poiché il miglior
funzionamento del motore si ottiene quando
, si può aumentare a parità di cilindrata
aumentando il numero di cilindri (e quindi riducendo ).
e la durata del ciclo è data dall’inverso del numero di cicli per unità di tempo. Se con si indica il
numero di giri al minuto compiuti dalla manovella (cioè dall’albero motore), poiché vengono effettuati
è il numero di cicli effettuati ogni minuto e quindi
il numero di cicli
due giri per ciclo,
effettuati ogni secondo. Allora la durata del ciclo in secondi è:
7
V
6
Aspirazione.
Al PMS i gas combusti non sono ancora completamente espulsi: una parte si mescola con la
miscela fresca variandone le proprietà.
Compressione.
Si tratta di una trasformazione non adiabatica né reversibile.
R
.
In conseguenza di tali limitazioni si ha
Dalla (14.10) si osserva anche che la potenza è proporzionale al numero di giri. In questo senso conviene
aumentare il numero di giri di lavoro del motore, tuttavia anche questo è limitato da:
Combustione.
Non è istantanea come nel caso ideale ma l’accensione avviene prima che il pistone raggiunga
PMS e la cessione di calore continua anche in parte della corsa di espansione.
H
F
(14.13)
2
[
Con
si indica “giri al minuto”.
Indicato misurato da apparecchiature sperimentali
Z
1
\
,
H
3G
0
ST
F
,
"
1. Velocità media del pistone. Essa può essere calcolata come (spazio percorso)/(durata) di un ciclo:
8
Lezione 14
9
/
8` E
$ I
$9 8 / #
`
KJ
La potenza fornita dal motore è data da:
(14.17)
B (
F
(14.18)
H
3G
;
`5
65
C 897
< :
5a
- b
5
$ D
F
5a
<
C
H
3G
;
B (
`5
65
8 7
9
:
$ 5
/ #
8`
$ I
$9
KJ
/
8` E
Q
e utilizzando le (14.15) e (14.16):
D ]
(14.19)
D
D
$ 8
9
:
- b
8`
$ D
c
$ - b
dove è stato introdotto anche il rendimento volumetrico . Infatti nell’esprimere la massa della miin funzione della cilindrata , bisogna considerare che la sua densità non sarà pari a quella
scela
atmosferica ma un po’ più bassa, sia perché viene da condotti “caldi” (
) sia per la sua velocità
). Il rendimento volumetrico è dunque definito come:
(
e quindi la massa della miscela è pari a
Espansione.
Si tratta di una trasformazione non adiabatica né reversibile.
- b
D
$ $ B
B (
5a
`5
65
8 7
9
:
5
/ #
8`
$ F
H
3G
)
/
8` E
5
5
0
)
8
_9
:
0
5
d
/
8` E
(14.23)
- b
Un aspetto importante nel campo aeronautico è la diminuzione della potenza che si ha all’aumentare
della quota. E’ stato visto infatti, dalla (14.18) che la potenza è direttamente proporzionale alla densità,
e, come noto la densità dell’aria esterna diminuisce all’aumentare della quota. In realtà la riduzione di
potenza con la quota è più spinta di quella della (che a sua volta decresce meno della grazie alla
contemporanea riduzione di ), infatti si riduce anche il rendimento volumetrico
( [1]).
per tener conto del lavoro speso per vincere
14.4 Comportamento del motore in quota
/ #
_9
:
8
avendo introdotto il rendimento organico (o meccanico)
le resistenze passive.
5
5
8`
/ #
5a
avendo utilizzato l’espressione del ciclo ideale e avendo introdotto anche il rendimento di combustione
come nel caso dei turbogetti (vedi Lezione 10).
Parte di questo lavoro è speso per vincere le resistenze passive: il lavoro di pompaggio del fluido (D
in Fig. 14.5) dovuto alle differenze tra pressioni di aspirazione e scarico e pressione ambiente; il lavoro
necessario a vincere l’attrito tra le parti meccaniche in movimento; e il lavoro necessario per l’azionamento dei gruppi accessori (pompa acqua, pompa olio, . . . ). Il lavoro disponibile all’albero motore nel
caso reale è quindi:
(14.16)
/ E
_9
:
C
(14.15)
(14.22)
La pressione media effettiva, cosı̀ chiamata in quanto ha le dimensioni di una pressione, indica il lavoro
prodotto da un ciclo per unità di cilindrata. Si definiscono potenza indicata e pressione media indicata
i valori ottenuti dal ciclo senza tener conto della potenza spesa per gli ausiliari e per vincere gli attriti.
Questi valori hanno la stessa espressione dei valori effettivi a meno del rendimento organico :
8
B (
5a
`5
65
87
9
:
e di conseguenza si può esprimere il lavoro fornito da un ciclo per unità di massa evolvente nel cilindro
come:
B P
/
8` E
dove
è la massa di combustibile utilizzata per ciascun ciclo. E’ uso comune esprimere la potenza
mediante la pressione media effettiva:
(14.14)
(14.21)
B
8
/ # 8/ #
8
_9
9
:
:
` O
NM
L
/^#
_9
:
è
/ #
9
:
8
]
D
.
).
Per queste ragioni l’area racchiusa dal ciclo e quindi il lavoro fornito dal ciclo reale (indicato)
inferiore a quello ideale
. Si definisce allora un rendimento reale
`5
(14.20)
Il consumo specifico del motore, espresso per unità di potenza prodotta, può essere ottenuto nel caso
reale dalle relazioni scritte sopra per la massa della miscela (e quindi di combustibile attraverso ) e per
la potenza utile:
Scarico.
I gas vengono espulsi ad alta velocità con perdite di carico (
/ #
8
_9
:
`5
/ #
8
9
:
`5
65
87
9
:
) (
Figura 14.5: Ciclo Otto teorico e indicato (da [2]).
10
Lezione 14
11
14.4.1 Rimedi alla diminuzione di potenza con la quota
Motore con compressore comandato meccanicamente
Il motore che non presenta alcun rimedio alla diminuzione della potenza con la quota viene indicato
come Motore Semplice. Per annullare gli effetti negativi dell’altitudine si ricorre a motori Adattati o
Sovralimentati.
La miscela che esce dal carburatore non va direttamente nel cilindro ma passa prima attraverso un compressore centrifugo. Questo è mosso dall’albero motore attraverso un opportuno sistema di riduzione. Il
compressore assorbe una quantità di potenza non trascurabile dall’albero motore. Si tratta di un sistema
Motori Adattati I motori adattati sono progettati per poter funzionare in modo soddisfacente alla
quota , ciò si ottiene con diverse tecniche:
gf
gf
gf
gf
gf
C
gf
gf
gf
gf
gf
gf
gf
gf
gf
gf
gf
ih
ih
ih
ih
ih
R
MCI
D
si
si può
e
Figura 14.6: Schema di motore con compressore comandato meccanicamente.
di potenza per altitudini “medie” rispetto al caso di sovralimentazione con turbocompressore.
Si fissa la pressione necessaria ad una certa quota. Si possono avere due casi:
1. Se ad una certa quota la pressione di alimentazione con compressore è uguale a quella senza
, tale quota è detta Quota di Ristabilimento.
compressore a
.
2. Se ad una certa quota la pressione di alimentazione con compressore è maggiore di quella senza
compressore a
, tale quota è detta Quota di Adattamento.
e
De
e
Motori sovralesati
Si aumenta la cilindrata e si strozza l’alimentazione a
c
e
e
Motori surcompressi
All’aumentare di si riduce la potenza. Quindi per riottenere la potenza che si aveva a
può pensare di aumentare . Ciò non si può fare con continuità, però stabilito il nuovo
strozzare l’aspirazione come per i motori alleggeriti.
DU
De
e
c
De
e
ih
Motori alleggeriti
All’aumentare di si riducono le sollecitazioni sul motore, quindi si progetta il motore per resistere alle sollecitazioni alla quota (quota di adattamento). Tale motore deve essere parzializzato
) altrimenti la
, che dipende da
diventa maggiore di
(strozzato) a quote inferiori (
quella consentita dalle strutture.
ih
De
Carb.
Motori sovralimentati Si utilizza un compressore nel circuito di alimentazione per rendere le condizioni di alimentazione meno dipendenti dall’ambiente.
Ammissione
Ridotta
Piena
P
14.4.2 Motori sovralimentati
La pratica dell’uso del compressore è quella corrente per combattere gli effetti negativi dovuti all’aumento di quota. Si cerca di mantenere elevate le pressioni medie e la potenza aumentando la pressione della
carica all’inizio della corsa di compressione. A seconda del sistema usato per muovere il compressore e
della configurazione del motore si distinguono:
p c,max
<p
pc
p c=
ax
c,m
Sovralimentazione meccanica (supercharging)
Sovralimentazione con turbocompressore (turbocharging)
Sovralimentazione con turbocompressore e intercooler
0
Sovralimentazione con turbocompressore a due stadi
z
Figura 14.7: Andamento della potenza al variare della quota per un motore con
compressore comandato meccanicamente.
Sovralimentazione meccanica e con turbocompressore a due stadi
Motore Compound
za
cresce e può raggiungere valori non sopportabili
diminuisce
De
c
E
se
De
e
se
e
Di queste configurazioni si descriveranno brevemente soltanto le prime due (che sono alla base di tutte
le altre).
]
Motore Turbocompound
E
F
È importante valutare come varia la potenza al di fuori di queste quote. Per accoppiamento diretto,
ammissione costante e costante:
12
Lezione 14
Disposizione dei cilindri: determina la sezione frontale, integrazione con il veicolo dipende anche
dal sistema di raffreddamento (aria o liquido):
De
(c) A “V”

~ ~ ~ ~ ~ ~
~ ~ ~ ~ ~ ~
~ ~ ~ ~ ~ ~

(d) A stella
kj j
kj j
T
kj j
kj j
kj j
C
(b) Contrapposti

}| }| |} |} |} |} |}
}| }| }| |} |} |} |}
}| }| }| |} |} |} |}
Il compressore è comandato da una turbina mossa dai gas di scarico, e calettata sullo stesso albero.
Il gruppo turbina-compressore è separato dall’albero motore. La perdita di potenza necessaria per far
(a) In linea

z z z
{z {z {z
{z {z {z
{z {z {z
{z {z {z
z z z
{z {z {z
{z {z {z
{z {z {z
{z {z {z
z z z
{z {z z
{z {z z
{z {z z
{z {z z
yx yx
yx yx
yx yx
yx yx
x x x
yx yx yx
yx yx yx
yx yx yx
yx yx yx
ut ut ut ut t
ut ut ut ut t
ut ut ut ut t
ut ut ut ut t
Motore con turbocompressore
x x x
yx yx yx
yx yx yx
yx yx yx
yx yx yx
sr
sr
sr
sr
rrr
sr sr sr
sr rs sr
sr sr sr
sr sr sr
r
x x

DU
wv wv wv wv
wv wv wv wv
wv wv wv wv
wv wv wv wv
e
c
$
De
De
Il problema è quindi limitare sovrapressioni a quote inferiori a . Conviene operare in modo che a
quote inferiori a
la pressione di alimentazione sia costante e uguale a quella massima consentita.
Questo può essere ottenuto con un dispositivo di strozzamento (che è poi la valvola a farfalla). Con
costante si ha tuttavia una riduzione della potenza a
dovuta al fatto che diminuisce essendo
costante e crescendo al diminuire della quota. Inserendo un cambio meccanico che regoli la velocità
di rotazione del compressore si possono avere diverse quote di ristabilimento ed evitare cosı̀ la riduzione
di potenza a bassa quota. Può essere ammissibile superare la
per brevi periodi di tempo (p.es. al
decollo).
13
Figura 14.9: Disposizione dei cilindri.
on on
on on
on on
on on
on on
on on
on on
on on
on on
on on
on on
on on
on on
on on
on on
on on
n n
R
ml ml
ml ml
ml ml
ml ml
ml ml
ml ml
Carb.
MCI
14.6 Sistema di raffreddamento
Figura 14.8: Schema di motore con turbocompressore.
Motori raffreddati ad aria
De
De
e
c
e
c
W
funzionare la turbina è trascurabile. Questo sistema può essere di grande utilità per i motori a pistoni
permettendo potenze elevate anche a 6000 . Possono venire usati anche per aumentare la potenza
al decollo. La potenza fornita dalla turbina cresce con il numero di giri, cosı̀ come la pressione di
alimentazione. Il gruppo turbina compressore ha in genere compressore centrifugo, mentre la turbina
può essere assiale o centripeta. In questa configurazione il compressore non sottrae potenza al motore ed
) per cui non si ha diminuzione
inoltre il gruppo turbina compressore è autoregolante (almeno per
della potenza per
. Si osserva infine che è necessario un collettore dei gas di scarico per far
funzionare la turbina in modo continuo e che per quote superiori a quella di adattamento la potenza
diminuisce con la quota.
Come accennato all’inizio della lezione una delle classificazioni dei motori a combustione interna
alternativi è quella basata sulla tipologia del sistema di raffreddamento. Si distinguono due famiglie:
Vantaggi:
–
–
–
–
Leggero
Semplice
Poca manutenzione
No congelamento
14.5 Configurazioni dei motori aeronautici
Motori raffreddati a liquido
Non si esaminano qui i sistemi ausiliari: carburazione, distribuzione, accensione, lubrificazione, scarico, . . . Per la configurazione ci si limita a ricordare che essa è determinata da numero, dimensione e
soprattutto disposizione dei cilindri, scelti in modo da soddisfare le esigenze aeronautiche.
Vantaggi:
–
maggiori
V
– Dimensionamento e orientamento alette
– Ingombro frontale
Problemi:
– Peso
– Circuito di raffreddamento
– Radiatore di raffreddamento
– Congelamento del liquido
q0
con
,
W
W
– Motori più compatti
H
a
;
p
Diametro dei cilindri: da
p
Numero dei cilindri: da a
– Raffreddamento più uniforme
Problemi:
Lezione 14
Peso
( )
81
55
75
227
590
232
600
700
1135
724
1634
85
180
2750
200
235

9.0
2.5
2.0
1.3
1.2
1.4
0.8
0.7
0.7
0.8
0.7
1.1
1.0
0.9
0.9
0.9

15
Domande di verifica
/

Potenza
(
)
9
22
37
172
485
164
768
974
1641
933
2238
75
187
2984
224
261

Cilindrata
)
(
3300
3100
8000
25000
35000
12900
27000
33900
36700
28000
71500
3300
8900
127100
8900
8900

14.1 Qual’è oggi in aeronautica il campo di applicazione dei motori a pistoni?
14.2 Si descrivano le diverse fasi di un motore a 4 tempi.
14.3 Quanti giri dell’albero motore vengono compiuti in un ciclo di un motore a 4 tempi?
14.4 Cosa si intende per rapporto di compressione volumetrico?
14.5 Quali sono i principali vantaggi e svantaggi di un motore raffreddato a liquido rispetto ad uno
raffreddato ad aria?
14.6 Da quale grandezza dipende il rendimento del ciclo Otto ideale?
14.7 Si esprimano la potenza e il consumo specifico di un motore a pistoni ideale in funzione del rendimento del ciclo Otto ideale corrispondente, della cilindrata, del numero di giri, del rapporto di
miscela, della densità della miscela e del potere calorifico del combustibile.
Tabella 14.1: Proprietà di alcuni motori a pistoni aeronautici.
14.8 In cosa differiscono un motore a cilindri “a stella” e uno a cilindri “in linea”?
14.10 Disegnare il ciclo ideale di un motore a quattro tempi ad accensione comandata (ciclo Otto) nel
piano
.
14.11 Disegnare il ciclo ideale di un motore a quattro tempi ad accensione comandata (ciclo Otto) nel
piano
.

0

V
per

0
W Y
V
W
Y
!

0
+
14.14 Perché la potenza di un motore a pistoni diminuisce con la quota?
V

)e
V

]

).
0
<

0
per piccole potenze (
V
Y

;
!
V
*
0
<

0

;

*
Y
*
14.16 Disegnare lo schema di funzionamento di un motore sovralimentato con turbocompressore.
14.17 Cosa si intende con quota di adattamento?
Affidabilità.
14.15 Indicare qualitativamente i principali rimedi alla diminuzione di potenza con la quota.
W +
0

]
Consumo Specifico.
Assume tipicamente i valori
per grandi potenze (
14.12 Si esprimano la potenza e il consumo specifico di un motore a pistoni reale in funzione del rendimento del ciclo Otto ideale corrispondente, della cilindrata, del numero di giri, del rapporto di miscela, della densità della miscela, del potere calorifico del combustibile e dei rendimenti introdotti
nella trattazione di questi motori.
14.13 Cosa indica il rendimento volumetrico?
).
ed assume tipicamente i valori
per grandi potenze
H
V
Y

).

V
0
W +
!
Y

Potenza specifica (potenza per unità di cilindrata).
Dipende dalle dimensioni, dal tipo di raffreddamento, da
per piccole potenze (
)e
(
).
Peso Specifico (peso per unità di cilindrata).
Dipende dalle dimensioni, dal tipo di raffreddamento, . . . (tipicamente
V
Ingombro Frontale (potenza per unità d’area frontale).
Dipende dalla configurazione e dal tipo di raffreddamento (tipicamente

]
V
*
V

0
Rapporto Peso/Potenza.
Diminuisce se le dimensioni del motore crescono ed assume tipicamente i valori
piccole potenze (
) e di
per grandi potenze (
).
14.9 A parità di corsa, qual’è la grandezza che limita il numero di giri massimo ottenibile da un motore
a pistoni?
Le proprietà di alcuni motori a combustione interna alternativi impiegati in aeronautica (alcuni dei quali
di rilevanza storica) sono riportate in Tab. 14.1. Vengono di seguito riportati i valori tipici dei parametri
caratteristici più importanti per le applicazioni aeronautiche. Tra di essi particolare rilievo ha il rapporto
peso/potenza:
14.7 Proprietà dei motori a pistoni aeronautici
N.ro
Cil.
4
3
7
9
12
9
12
12
12
12
28
4
6
36
6
6
Raffredd.
Liquido
Aria
Aria
Aria
Liquido
Aria
Liquido
Liquido
Liquido
Liquido
Aria
Aria
Aria
Liquido
Aria
Aria

Disp.
Cilindri
In linea
Radiale
Rotary
Rotary
a “V”
Radial
a “V”
a “V”
a “V”
a “V”
Radiale
Opposti
Opposti
Radiale
Opposti
Opposti

Anno
1903
1910
1908
1918
1918
1925
1936
1938
1940
1941
1945
1959
1959
1940s
1960s
1960s

Motore
Wright
Anzani
Gnome
Bentley BR2
Rolls-Royce Condor
Wright J-5 Whirlwind**
Rolls-Royce Merlin
Mercedes-Benz D-B 601
Napier Sabre
Allison V-1710
Pratt & Whitney R-4360
Continental O-200
Lycoming O-540
Lycoming XR-7755 mid
Lycoming IO-540-K
Lycoming TIO-540-J

14
14.18 Cosa si intende con quota di ristabilimento?
14.19 Disegnare lo schema di funzionamento di un motore sovralimentato con compressore comandato
dall’albero motore.
16
Lezione 14
Esercizi proposti
14.1 Calcolare potenza, pressione media effettiva, consumo specifico e le temperature e pressione massime raggiunte per un motore a combustione interna alternativo avente le seguenti caratteristiche:
Opera a punto fisso a livello del mare
p
Bibliografia
giri/min
[1] U. Ghezzi. Motori per Aeromobili. Clup, Milano, 1974.
W
W
!
!
'
F

6 cilindri
W
W
p
e

H
!
"

B (
0
,
[2] D. Giacosa. Motori Endotermici. Hoepli, Milano, 2000.
Proprietà del fluido evolvente costanti e pari a quelle dell’aria
W
!
+
!

"
"
H
@
+
"
"

@
O
NM
L
*

.
;

N

)

p
p!
E

Si consideri il ciclo ideale e si calcoli la spinta generata da un’elica di diametro pari a
R.
;
;
;
;
.
W

E

e
H
14.2 Si confronti la potenza generata dal propulsore dell’esercizio precedente con quella generata dallo
stesso propulsore a parità di condizioni ad una quota
.
R.
.