Motori endotermici a combustione interna

di Sara Bergandi, Stefano Cantoni, Leonida Fossati, Alfredo Greco

Grandezze caratteristiche

I motori alternativi a combustione interna vengono caratterizzati da un insieme di grandezze geometriche e fisiche. Trale grandezze fisiche troviamo:

Rendimento della combustione: durante il processo di combustione non tutto il carburante viene bruciato completamente, si otterrà quindi una quantità di energia minore di alcuni punti percentuali rispetto al caso ideale. Ciò viene espresso dalla seguente formula:

η_c = Q₁ / (m_c * p_ci).

Dove m_c e _pci indicano rispettivamente la quantità di combustibile immessa nella camera di combustione e il suo potere calorifico inferiore, il loro prodotto rappresenta l'energia ricavabile sotto forma di calore dalla loro combustione completa mentre Q₁è il calore effettivamente prodotto.

Rendimento del ciclo ( rendimento termico): non tutto il calore prodotto dalla combustione può essere tradotto in lavoro, nemmeno nel caso ideale. Si avrà quindi quindi: η = (Q₁-Q₂) / Q₁=L / Q₁

Infatti per il primo principio della termodinamica applicato ad un ciclo termico L = Q₁-Q₂ cioè alla differenza tra il calore fornito al sistema e quello da esso ceduto.
Rendimento del ciclo indicato: come descritto nella nostra sezione di teoria il ciclo termico reale (LINK) su cui lavora il motore è differente da quello reale(LINK): η_i= L_i/ L_id
Rendimento volumetrico: la carica teorica m_t è la massa di gas introducibile idealmente nel cilindro durante la fase di aspirazione. Nel caso reale vi sono però delle fuoriuscite di fluido che fanno si che tale quantità non venga raggiunta. Ad esempio per bassi numeri di giri si hanno delle perdite dovute alla sovrapposizione della fase di apertura delle valvole o a riflussi dei gas di scarico. Ad alti numeri di giri invece la fase di aspirazione non è abbastanza duratura da garantire il riempimento ottimale della camera di combustione.

Ciò si esprime mediante l'uso del rendimento volumetrico: η_v = m / mt = m / (V * ρ) = m / (i*V_u * ρ)

dove ρ è la densità del gas immesso
Rendimento meccanico: con esso si calcolano le perdite dovute agli attriti e al lavoro degli organi ausiliari η_m = L_eff / Li;
Rendimento totale: η_totale = η_m * η_i * η =1/ (c_s
*p_ci )

Questo si aggira all’incirca sul 35 – 41%.
Consumo specifico: indica il rapporto tra il combustibile consumato (in massa) e il lavoro prodotto. Esso è influenzato naturalmente da tutte le perdite di energia presenti nella macchina racchiudendo così l'azione di tutti gli altri rendimenti. Viene espresso dalla formula c_s = m_c / L_i = 1 / (η_totale * k_i) [kg / J] = [g / Kwh]
Consumo orario:la quantità in massa di combustibile consumata in un’ora in regime stazionarioc_h [Kg/h]
Pressione media
Pressione media effettiva
Velocità media lineare: indica la velocità media dei pistoni. Viene espressa come: v_mCn dove n è il numero di giri.

Per i motori comuni è generalmente compresa tra 8 e i 20 m/s.
Numero di giri: indica la velocità di rotazione della manovella espressa in giri/min. Può variare molto in funzione del tipo di motore e dei suoi utilizzi.

Le principali grandezze geometriche sono invece:
Punto morto inferiore (PMI): posizione in corrispondenza della quale il pistone si trova più lontano dalla testa;
Punto morto superiore (PMS): posizione in corrispondenza della quale il pistone si trova più vicino alla testa;
Alesaggio D: diametro interno del cilindro;
Corsa C: spazio percorso dal pistone nel passaggio dal punto morto inferiore al superiore o viceversa corrispondente cioè ad una rotazione della manovella di un angolo 180° e quindi pari a due volte il raggio di manovella R_m;
Volume totale del cilindro V_t: è il volume compreso fra la testa ed il pistone quando questo si trova al PMI ed è uguale al massimo volume del cilindro;
Volume della camera di combustione V_o: è il volume compreso fra la testa ed il pistone quando questo si trova al PMS ed è uguale al minimo volume del cilindro;
Cilindrata unitaria V_c: volume spazzato dal pistone nella sua corsa dal PMS al PMI;
Volume della cilindrata: (π / 4) * D² * C;
Rapporto volumetrico di compressione β: rapporto fra il volume totale del cilindro ed il volume della camera di combustione, ossia: β = (V_t/ V_o) = (V_o + V_c) / V_o = 1 + (V_c/ V_o).
Angolo di manovella θ: angolo descritto dalla rotazione della manovella a partire dal PMS; indicata con ω la velocità di rotazione dell’albero motore e con η il suo numero di giri nell’unità di tempo si ha: θ = ω * t = 2 * π * η * t.
Rapporto corsa / alesaggio (C / D): solitamente vengono assunti valori prossimi all’unità per ragioni di ingombro e di peso. Tuttavia non è raro trovare motori a corsa corta, i quali presentano diversi vantaggi rispetto ad un motore a corsa lunga di pari cilindrata riassumibili in:
- Incremento della potenza;
- Possibilità di un migliore alloggiamento delle valvole;
- Possibilità di adottare valvole di maggiore diametro;
- Diminuzione della velocità media del pistone;
- Riduzione delle forze d’inerzia centrifughe ed alterne