Funzionamento reale dei MCI - Internal Combustion Engines · Sovralimentazione 2 TEMPI COMANDO...

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Funzionamento reale dei MCI Aspirazione, espulsione e scarico nei motori 4T ( ) 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 n c A A A A n c p p j va p va j p j c cil c + + = β β ρ Effetto RAM Effetti di risonanza delle onde di pressione nei condotti Funzionamento reale dei MCI Aspirazione, 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

( ) 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.