Università degli studi di BolognaD.I.E.M.
Dipartimento di Ingegneria delle Costruzioni Meccaniche,Nucleari, Aeronautiche e di Metallurgia
rev. giugno 2005
Motore ad accensione comandata
Motore ad accensione per compressione a 4 tempi
(costruzione Perkins)
1860
Nikolaus August Otto (1832-1891)
Motore sperimentale a gas a 4 tempie diagramma di indicatore (produzione Deutz 1876)
Motore Otto e Langen “atmospheric” 1° premio
Esposizione Parigi 1867
Rudolf Diesel (ritratto del 1912)
(1858-1913)
Diagramma di indicatore sperimentale Motore A250/400 (6 Luglio 1897)
Primo motore Diesel
Costruzione:Friedrich Krupp A G
(Essen 1897-98)
Confronto Accensione comandata
Accensioneper compressione
Combustione (innesco) Innesco locale provocato da scarica elettrica
Accensione spontanea per condizioni comburente(p,T elevate)
Miscela Miscela preformataFase omogenea
Fase disomogenea dispersione del combustibile polverizzato
Combustibile Molto volatile Poco volatile
Combustione (sviluppo) A superficie (propagazione fronte di fiamma)
Combustione a massa del combustibile iniettato
Rapporto di compressione r Limite superiore a rPer evitare autoaccensione e detonazione (controllo di r )
Limite inferiore a rPer consentire autoaccensione (Controllo massa combustibile)
Combustione (trasformazione) A volume costante A pressione costante
Diagrammi di indicatore p,V
Diagramma polare della distribuzione
Diagrammi termodinamici p,v
Otto Diesel Sabathè
Diagrammi termodinamici T,s
Otto Diesel Sabathè
Rendimento ciclo Sabathè (1)
( )( ) ( )3323
14
1
2
1
21 11′′ −+−
−−=−=−=TTcTTc
TTcQQ
QQQ
pv
vη
−+
−
−
−=′′
1
3
1
3
1
2
1
3
1
4 11
TT
TT
cc
TT
TT
TT
v
p
η
Rendimento ciclo Sabathè (2)
( )( ) ( )[ ]11
11
lnlnln;
;;;
1
3
3
2
3
1
414
1
4
1
1
2
2
3
3
3
1
3
1
1
2
2
3
1
3
11
0
1
1
2
1
1
2
3
3
2
3
0
1
−+−−−=
+==−=
==
==
=
=
=
====
−
′
′
−′
′
−′′
−−−
′
′
bakarba
TTc
TTc
TTcssba
TT
rbaTT
TT
TT
TT
raTT
TT
TT
rVV
VV
TT
bTTa
TTk
cc
rVV
k
k
pvvk
k
k
kkk
v
p
η
Rendimento ciclo Sabathè (3)
Potenza motore alternativo PPi = potenza indicataLi = Lavoro indicato per ciclon’ = numero di cicli per unità di tempon = velocità di rotazione (giri/s)τ = numero di tempi (2, 4)pmi = pressione media indicatapme = pressione media effettivacm = velocità media del pistoneΩ = area del pistone (complessiva)s = corsa del pistone
nLP ii ′=
ττnnn 2
2==′
VLp i
mi =
mecmime pp η=
meciPP η=
τττmmimimi
icpnspnVpP Ω=Ω== 22
Potenza motore alternativo per via termica -1
nLP ′= P = potenza all’albero L = lavoro effettivo per ciclon’ = num. di cicli per unità di tempoLth = lavoro teorico (dal ciclo termodinamico)Q1 = calore introdotto (per ciclo)V = cilindrataηi = rendimento indicatoηc = rendimento di combustioneηth = rendimento termodinamicoηv = rendimento volumetricoηmec = rendimento meccanicomc = massa di combustibilemm = massa di miscela aspirataρm = densità della miscela aspirataKi = potere calorifico del combustile K’ = tonalità termica della miscelaτ
ηηηηηρ
ηηηηηρηηρ
η
ηηηηηη
nKVP
KVLKV
mmKm
KmQQLL
mecithvcm
mecithvcm
cvm
ccm
im
cic
mecithmecith
2
1
1
′=
′=′=
=
===
τnn 2=′
Potenza motore alternativo per via termica -2
;
1
1
;
_
_
_
c
sa
iD
c
sa
iB
c
sa
c
m
cm
i
mmKK
mm
KK
mm
mm
mmKK
λ
λ
λ
=′
+=′
+=
=′Ki = potere calorifico del combustibile kJ/kgcomb
K’ = tonalità termica della miscela kJ/m3
K’ D = tonalità termica motore diesel
K’ B = tonalità termica motore a benzina
λ = m_ariaeff/ m_ariastechiometrica
mc = massa di combustibile
ma_s = massa di aria stechiometrica
mm = massa di miscela aspirata
ρm = densità della miscela aspirata
kJ/kgmiscela
Potenza motore alternativo per via termica –3(energia sviluppata per unità di volume di c.c.)
c
saac
i
c
sa
iBm
c
saac
c
sa
aacc
ac
m
mm
mm
vv
Km
mKK
mm
vv
mm
mvmvmm
Vm
_
_
_
_
1
1
λ
λρ
λ
λ
ρ
+=
+=′
+
+=
++==
Ki = potere calorifico del combustibile
K’ = tonalità termica della miscela
K’ D = tonalità termica motore Diesel
K’ B = tonalità termica motore a benzina
λ = m_ariaeff/ m_ariastechiometrica
mc = massa di combustibile
ma_s = massa di aria stechiometrica
mm = massa di miscela aspirata
kJ/m3
Combustibile λ kcal/dm3 kJ/dm3
17.4
15.2
14.7
Nonano 0.830 3.48
Metano 0.820 3.43
Combustibile Liquido(generico)
0.850 3.56
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Dipartimento di Ingegneria delle Costruzioni Meccaniche,Nucleari, Aeronautiche e di Metallurgia
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frazionamento cilindrata
Frazionamento della cilindrata a potenza P costante -1
ττττmmememe cpnspnVpnLP Ω=Ω=== 222
n = velocità di rotazione (giri/s)τ = numero di tempi (2, 4)pme = pressione media effettivacm = velocità media del pistone = 2nsΩ = area del pistone (complessiva)s = corsa del pistoned = diametro del pistone
τ1_11_
1mme cp
PΩ
=
1
1__
1__
=
=
=
ds
ds
ccpp
z
mzm
mezme
Ipotesi:
τzmzzme
z
czpP __ Ω
=
Carico termico costante pme = L/VPressioni inerzia costanti pi∝ cm
2
Sollecitazioni sul manovellismo costanti
contattoamm ppp
ds maxmax ∝∝
σ
Frazionamento della cilindrata a potenza costante - 2
222
23
2maxmax_ )()1( nsrd
drd
damF
p bpii ∝∝+∝∝
Ω= ωλω
b = interasse perni di bancocm = vel. media del pistone = 2nsd = diametro del cilindro (alesaggio)Fi = forza d’inerzia sul pistoneFmax= forza sul manovellismo (max) pi = pressione d’inerzia sul pistonepmax= pressione massima (gas+inerzia) n = velocità di rotazioner = raggio di manovellaλb = allungamento della biella (r/l_biella)s = corsa del pistone (2r)W = modulo di resistenzaσmax = tensione ammissibileω = velocità angolareΩ = area del pistonemax
max
3
2maxmax
max
maxmax
maxmax
2maxmaxmax
4
4
σ
σ
σ
pds
sdp
WbF
WM
bFM
dppF
∝
∝=
=
=
∝Ω=
s
Frazionamento della cilindrata a potenza costante - 3
ττmmemzme
zcpczpPP 1
1Ω=Ω
=
1Ω=Ω zz n = velocità di rotazione (giri/s)τ = numero di tempi (2, 4)pme = pressione media effettivacm = velocità media del pistoneΩ = area del pistone (complessiva)s = corsa del pistoned = diametro del pistonez = numero di cilindri
1ddz z =
1ssz z =
zss
dd zz 1
11
==
zss
szs
VV zzzz 1
1111
==ΩΩ=
1_1_ nzncc zzmm ==
Frazionamento della cilindrata – 4Confronto soluzioni mono- e poli-cilindrica
Attributo Mono Poli Cilindrata Maggiore MinoreRegolarità della coppia Minore Maggiore
Equilibratura forze alterne Scarsa Ottima
Combustione Peggiore MiglioreRaffreddamento Minore MaggioreComplessità Minore Maggiore
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prestazioni - diagrammi
Prestazioni (a piena ammissione)coppia all’albero
P potenza W
M coppia - Nm
n velocità di rotazione - giri/s
ω velocità angolare s-1
pme pressione media effettiva - Pa
V cilindrata - m3
τπ
τπω
VpM
nVpnMMP
me
me
=
=== 22
mecthvicimme
mecthvicim
KVLp
KVL
ηηηηηρ
ηηηηηρ
′==
′=
Prestazioni (a piena ammissione)
nMMP πω 2==P potenza
M coppia (N m)
q consumo specifico
n velocità di rotazione (giri/s)
B potenza alla coppia massima
M3 coppia alla potenza massima
iKq1=η
Rilievo delle prestazioni(mediante freno idraulico)
Esempio:
q = consumo specifico 250 g/(kWh)
Ki = 4.0 104 kJ/kg
%3636.0kJ/kg100.4kg/(kWh)250.0
kJ/(kWh)106.314
3
==⋅
==iKq
η
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ad accensione comandata e ad accensione per compressione
Motori a 2 tempi AC
Valvole a lamelle
Valvole a disco
accensione per compressione
Iniezione diretta 2T Sovralimentazione con compressore volumetrico a lobi tipo Roots
4T Iniezione indiretta.
Montaggio della valvola con semiconi
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controllo delle emissioni
Controllo emissioni 1 (inquinanti MCI)
Controllo emissioni 2 (catalizzatore trivalente)
Controllo emissioni 3(catalizzatore)
Controllo emissioni 4 (sonda lambda)
Iniezione benzina M-Motronic
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Sistema di iniezioneCOMMON RAIL
Iniezione Diesel (common rail)
Iniezione Diesel (componenti)