Funzionamento reale dei MCI - Internal Combustion Engines · Sovralimentazione 2 TEMPI COMANDO...
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Funzionamento reale dei MCIAspirazione, espulsione e scarico nei motori 4T
( ) 222
2
2
222 12 nc
AA
AA
ncppj va
pva
j
pj
c
cilc ∝
++=
− ∑ ββρ
Effetto RAM
Effetti di risonanza delle onde di pressione nei condotti
Funzionamento reale dei MCIAspirazione, espulsione e scarico nei motori 4T
Nel momento in cui si apre la valvola di scarico viene generata un'onda di compressione che propaga verso l'uscita del condotto di scarico a causa della differenza di pressione tra l'interno del cilindro e il collettore. Quando l’onda raggiunge l'estremità del sistema di scarico essa verrà si riflessa come un'onda di espansione che risale il sistema di scarico sino ad arrivare al cilindro per essere nuovamente riflessa verso l'uscita. Il moto di ciascuna onda è quindi periodico e tende ad attenuarsi per la presenza di effetti dissipativi.
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Funzionamento reale dei MCIAspirazione, espulsione e scarico nei motori 4T
vkRTt
+=
l3/1
vkRTt
−=
l4/2 n
ti
i 214
1
=∑=
Si hanno le migliori prestazioni quando
Funzionamento reale dei MCIAspirazione, espulsione e scarico nei motori 4T
Pressione e temperatura nell'ambiente di aspirazioneSperimentalmente si trova che λv è proporzionale a Ta
0.5 ed è indipendentemente dal valore della pressione ambiente.
Pressione e temperatura dei gas residuiLa pressione dei gas residui alla fine della fase di espulsione influenza notevolmente il coefficiente di riempimento. Infatti all'aumentare di tale pressione cresce la massa dei gas residui nel cilindro. Ne deriva una riduzione del volume disponibile per il riempimento del cilindro con la carica fresca.La temperatura non influenza in maniera significativa il coefficiente di riempimento
Altri Fattori che influenzano il valore del coefficiente di riempimento
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Funzionamento reale dei MCIInfluenza delle condizioni ambiente sulle prestazioni
1° approssimazione: rendimento organico costante
2° approssimazione: rendimento organico dipendente dalle condizioni ambiente
Funzionamento reale dei MCIAspirazione, espulsione e scarico nei motori 4T
1° Approssimazione
2° Approssimazione
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La sovralimentazione
motori alternativi
a combustione
interna
La sovralimentazione
SCOPO: ottenere maggiore potenza a parità di cilindrata
LIMITI:
detonazione
aumento delle sollecitazioni meccaniche
sollecitazioni termiche
Esempio: Diesel 4T, 6 cilindri
Aumentando la pressione di 35%, la PME aumenta del 55% e le sollecitazioni del 20%.
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Modalità
Sovralimentazione di base
Pre-alimentazione(lavaggio)
Post-alimentazione
PREALIMENTAZIONE E POSTALIMENTAZIONE
Sovralimentazione di base
A turbocompressore a gas di scarico
Con compressore a comando meccanico
Compressori centrifughi
Compressori Root
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Sovralimentazione di baseCompressore a comando meccanico
1) Aumento della pressione nel ciclo
2) Area del ciclo d’aspirazione-espulsione
3) Aumento della cilindrata utile (compressione dei gas residui)
Sovralimentazione di baseCompressore a comando meccanico
−
−+=
'1
'
11
11m
c
a
v
v
PP
ρλλ
'
' vc a
v
s a
pmi pmi P P
P P
λµ
λ= + −
=
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Sovralimentazione di base
Compressore a comando meccanico
'' ' v
v
pme pmi a b cλ
µλ
= − + +
C rappresenta il contributo di lavoro assorbito dal compressore
'
' 1'
v
vo
a b c
pmi
λµ
λη
+ += −
Sovralimentazione di baseTurbo compressore a gas di
scarico
Ad impulsi A pressione costante
Gas alla pressione di scarico
Picchi di pressione
Variazione del rapporto u/c1nella turbina
Gas inviati in un collettore
Pressione costante Ps>Pa
Lavoro disponibile maggiore per il compressore
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Sovralimentazione di base
Ad impulsi
Sovralimentazione di base
Turbo compressore a gas di scarico a pressione costante
La sovrapressione allo scarico riduce il lavoro utile del motore rendendolo disponibile per la compressione dell’aria
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Sovralimentazione di base
Turbo compressore a gas di scarico
−
=
−
=−−
11''
1'
1'k
k
a
ca
c
pk
k
a
sFpt
ct
ppT
cGppTcG
PP
ηη
La relazione tra ps e pc dipende dal rapporto tra le temperature e dai rendimenti del turbocompressore; pc in genere è maggiore di ps
Sovralimentazione di base
Turbo compressore a gas di scarico
−+=
−=
−
)1'(1'
4
1''
4
4
'1'
kpp
kTTtempi
ppTcGP
ss
kk
s
atspt η
nei motori Diesel Ts=120-800 °C
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Sovralimentazione di base
Turbo compressore a gas di scarico
−
−+=
'1
'
11
11m
c
s
v
v
PP
ρλλ
'
' vc s
v
s a
pmi pmi P P
P P
λµ
λ= + −
≠
Contropressione allo scarico ps>pa
Effetto di ricompressioneinferiore
Effetto minore sul ciclo di pompaggio
Assenza del lavoro assorbito dal compressore (c =0 )
Sovralimentazione di base
Turbo compressore a gas di scarico
'' ' v
v
pme pmi a bλ
µλ
= − +
'
' 1'
v
vo
a b
pmi
λµ
λη
+= −
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Sovralimentazione di base
Sovralimentazione di base
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Sovralimentazione di base
Sovralimentazione di baseTransitori:- turbolag per l’accelerazione
del turbogruppo;
- problemi di cattiva combustione legati alla riduzione di α
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Sovralimentazione di base
Se il turbogruppo è scelto per dare alta coppia a basse velocità, alle alte velocità la pressione fornita dal compressore diventa troppo alta. Per evitare ciò si utilizza una valvola di by-pass che limita la pressione scaricando una parte dei gas residui.
Sovralimentazione di base
KOMPRESSOR
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Sovralimentazione 2 TEMPI
PROBLEMA DEL LAVAGGIO
(strozzatura della luce di scarico che si può sfruttare con una turbina che alimenta il compressore)
TURBOCOMPRESSORE
−+= )1'(1
'4
4
4 kpp
kTTtempi s
s
( )cTslv
Ts
Ts TTTT −−−= )4()4()2( )1( η
Sovralimentazione 2 TEMPI
COMANDO MECCANICO
Quando il pistone scende i gas residui vanno nel collettore chiuso
Si apre lo scarico
La pressione si abbassa e inizia il lavaggio grazie all’apertura della valvola automatica
Quando il pistone risale e chiude lo scarico si apre la valvola comandata di sovralimentazione
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Osservazioni
L’efficienza delle macchine dinamiche aumenta con la dimensioni perché le perdite per fuga intorno alle palette diventano meno significative. Ciò è maggiormente vero per le macchine assiali
Nelle applicazioni motoristiche si utilizzano macchine radiali anche se queste hanno rendimenti peggiori rispetto a quelle assiali per grandi portate.
La scelta del compressore è critica a causa dei fenomeni di instabilità (pompaggio e stallo). I compressori centrifughi risentono meno della variazione di condizione del flusso e possono raggiungere più alti rapporti di compressione con un solo stadio (4-5)
Nelle applicazioni marine si usano compressori centrifughi e turbine assiali che hanno una migliore efficienza.
Nelle applicazioni automobilistiche si usano compressori centrifughi e turbine centripete.
Nel caso di sovralimentazione ad impulsi, il rendimento della turbina è molto variabile. Per alti rapporti di espansione è necessario adottare turbine multistadio e quindi conviene usare sistemi a pressione costante.
65 75%ϑη = ÷
70 85%ϑη = ÷
COMPRESSORE CENTRIFUGO
TURBINA CENTRIPETA
Osservazioni
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L’accoppiamento di un motore alternativo con una turbomacchinanon è di per sé vantaggioso per le differenti velocità di rotazioni con cui lavorano le due macchine.
Inoltre, il motore alternativo funziona a n variabile mentre le turbomacchine sono ottimizzate per un solo punto di funzionamento (legato alla geometria della palettatura)
Il primo passo per effettuare l’accoppiamento è il calcolo dellaportata, avendo fissato Pc in base alle prestazioni volute:
a v CG V nλ ρ=
Osservazioni
Nota la portata determino la dimensione di massima del turbogruppo.
Il compressore sarà scelto in relazione alla velocità e al range di carico del motore.
Sovrappongo le curve caratteristiche del compressore con quelle del motore e verifico la presenza di un margine sufficiente rispetto al pompaggio.
Una volta scelto il compressore individuo la turbina. La turbinaviene regolata variando la geometria del distributore. La potenza della turbina è controllata dall’area effettiva di passaggio.
Osservazioni
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Curve caratteristiche del motore:
n costante:aumentando il carico, la portata aumenta proporzionalmente all’aumento di densità ovvero di Pc.
carico costante:aumentando n, cresce la portata in turbina e quindi al pressione di alimentazione
Osservazioni
Curve caratteristiche per una turbina radiale
Osservazioni
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Nell’accoppiamento devo garantire un margine sufficiente tra il pompaggio e il punto di funzionamento più vicino del motore:
• natura pulsante del flusso;
• le condizioni di funzionamento del motore possono discostarsi da quelle di progetto (intasamento del filtro dell’aria, altitudine variata)
La turbina è meno sensibile al variare delle condizioni del fluido e quindi il suo comportamento è meno critico per l’accoppiamento.
Osservazioni
La sovralimentazione a turbogruppo è molto popolare per applicazioni automobilistiche perché consente di usare, a parità di potenza, unità più piccole, leggere e compatte.
Ciò è essenziale se si vogliono avvicinare le prestazioni dei motori diesel a quelle dei motori ad accensione comandata.
Nei mezzi pesanti, l’alleggerimento del motore consente di aumentare il carico pagante; quando il veicolo è scarico il peso è ridotto e ciò migliora i consumi di combustibile.
Osservazioni
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Sovralimentazione dei motori a ciclo Otto
La sovralimentazione di un motore ad accensione comandata è più difficile:
¤ maggiore variabilità della portata aspirata
¤ risposta rapida nei transitori
¤ accurato controllo per evitare pre-accensione e detonazione
¤ il consumo specifico non è necessariamente migliore nel caso di sovralimentazione
¤ è necessario ridurre il rapporto di compressione riducendo il rendimento del ciclo
Nel caso di motori a carburatore:
¤ se il carburatore è a valle del compressore, la pressione in ingresso carburatore è variabile e il funzionamento non è ottimale;
¤ se il carburatore è a monte del compressore si deve comprimere la miscela aria-combustibile; si ottiene una miscela più omogenea.
¤ la compressione è refrigerata dal processo di evaporazione ma non si può refrigerare la carica a valle del compressore se si vogliono evitare depositi di carburante, pericolo di stallo.
Sovralimentazione dei motori a ciclo Otto
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I turbogruppi soffrono del cosiddetto “turbo-lag”;
Quando il carico del motore o la velocità aumentano, solo una parte dell’energia disponibile dalla turbina è utilizzabile comelavoro di compressione; il resto serve per accelerare il turbogruppo.
La presenza di volumi non trascurabili in aspirazione e scarico producono ritardi addizionali che peggiorano la resistenza al transitorio.
Il turbolag è più critico per questi motori a causa della prontezza di risposta richiesta.
Sovralimentazione dei motori a ciclo Otto
INTERCOOLER
L’interrefrigerazione consente di aumentare le prestazioni di unmotore sovralimentato riducendo la temperatura di ammissione dell’aria nel motore
La portata di aria immessa aumenta essendo aumentata la densità corretta.
La minore temperatura in ingresso riduce i livelli di temperatura in tutto il ciclo aumentando il ritardo di accensione e riducendo il carico termico sul motore.
Sovralimentazione dei motori a ciclo Otto
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INTERCOOLER
Nonostante tali vantaggi, l’intercooler non è sempre usato in quanto il suo costo e la sua complessità non sono giustificati per motori di medie prestazioni, infatti i bassi rapporti di sovralimentazione possono determinare problemi di dimensioni eccessive a bordo vettura.
c
c a
T Tcalore trasferitocaloremassimo trasferibile T T
ε −= =
−
Efficienza dell’intercooler
Sovralimentazione dei motori a ciclo Otto
… INTERCOOLER
Inoltre, il volume aggiuntivo dell’intercooler potrebbe influenzare le prestazioni del motore durante il transitorio.
1° caso: uguale portata di carburantel’intercooler aumenta la portata di aria aumentando il rapporto aria/combustibile; le temperature nel ciclo e la temperatura di scarico si riducono. La potenza specifica in turbina si riduce mentre il rapporto di compressione del compressore non cambia. Gli scambi termici si riducono migliorando le prestazioni e riducendo i consumi.
2° caso: uguale carico termicomantenendo costante il rapporto aria/combustibile le prestazioniaumentano notevolmente e il consumo specifico migliora perché leperdite meccaniche aumentano meno rispetto alle prestazioni.
Sovralimentazione dei motori a ciclo Otto
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La sovralimentazione consente di migliorare le prestazioni del motore con piccoli aumenti del volume e del peso del motore
Il consumo di combustibile nei motori Diesel è migliorato dalla sovralimentazione perché l’aumento delle perdite meccaniche è piccolo rispetto all’incremento di prestazioni
Nei motori a benzina la sovralimentazione richiede la riduzione del rapporto di compressione per evitare la detonazione.
Le portate relativamente basse portano all’uso di turbine e compressori radiali
Conclusioni
Motore WANKEL
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Motore WANKEL
Motore WANKEL
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Motore WANKEL
Pregi:
Leggero e compatto.
Trasmissione di potenza meno ruvida.
Miglior sfruttamento della combustione: durante l'espansione l'albero ruota di 270° anziché 180°; questo comporta una maggior potenza di un motore tradizionale a parità di cilindrata.
Minor componenti in movimento: non è necessario l'uso di valvole e di conseguenza del sistema di distribuzione. Aspirazione ed espulsione sono determinati direttamente dalla geometria del motore; in questo modo si possono raggiungere elevati regimi di rotazione.
Motore WANKEL
…Continua
Assenza o riduzione delle forze non bilanciate, in quanto non essendo presenti parti dotate di moto alternativo, è realizzabile un naturale o facile equilibratura.
Poiché la camera di aspirazione è separata da quella di combustione, è possibile alimentare il motore ad idrogeno senza il rischio di ritorni di fiamma e di autoaccensioni.
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Motore WANKELDifetti:
Il rendimento del motore Wankel e inferiore a quello dei moderni motori alternativi perché temperatura e pressione massime sono inferiori per i rapporti di compressione necessariamente bassi (non oltre 7,5:1) e quindi i consumi sono più elevati.
La superficie dello statore, esposta da un lato al calore della combustione e dall'altro al fluido refrigerante, è ben superiorea quella del motore alternativo e ciò ha effetti negativi sul rendimento energetico (maggiore dispersione di calore) e sulla distribuzione delle temperature.
Scarsa affidabilità dei segmenti di tenuta che hanno la funzione delle tradizionali fasce elastiche, il consumo d'olio edi conseguenza l'alta emissione di sostanze inquinanti.
Costi di produzione.