Soggetti:
- Confronto tra processo lavorativo teorico e reale
- Diagramma indicatore
- Andamento della pressione durante il processo a quattro tempi di un motore a benzina
- Progressione della pressione durante il processo a quattro tempi di un motore diesel
- Variazione della pressione al variare delle condizioni operative
- Perdita di flusso
- Influenza della fasatura dell'accensione sul diagramma degli indicatori
- Andamento della pressione nel diagramma p-α
- Pressione di picco del gas
- Pressione media del gas
Confronto tra processo lavorativo teorico ed effettivo:
Nel funzionamento di un motore a benzina o diesel abbiamo a che fare con un diagramma PV (P = pressione, V = volume) che indica il rapporto tra la pressione e il volume nel funzionamento a quattro tempi. Maggiori informazioni a riguardo si possono trovare alla pagina: Processo Seiliger.
Il processo ciclico teorico si svolge in un motore ideale, nel quale non sono presenti gas residui o perdite. In realtà, il processo lavorativo teorico differisce dal processo lavorativo effettivo a causa delle seguenti deviazioni:
- la bombola contiene, oltre alla carica fresca, anche il gas residuo del ciclo di lavoro precedente;
- combustione incompleta del carburante;
- la combustione non avviene esattamente a parità di volume o pressione;
- scambio termico tra il gas e la parete della bombola;
- si verificano perdite di flusso durante il cambio di lavoro;
- vi è sempre (minima) perdita di gas lungo le fasce elastiche;
- il calore specifico cambia con la pressione e la temperatura, il che influenza la combustione.
Il corso del processo di lavoro effettivo viene registrato con il diagramma indicatore.
Diagramma indicatore:
Il diagramma dell'indicatore mostra la pressione del gas nel cilindro (sopra il pistone) durante due giri dell'albero motore. Il diagramma è stato determinato durante una misurazione della pressione avvenuta nel cilindro.
Il diagramma dell'indicatore mostrato si riferisce a un motore a benzina. La linea rossa indica la variazione di pressione relativa alla corsa del pistone. Durante una misurazione effettiva si ottiene un valore p Max. Ne parleremo più avanti. Sotto lo schema c'è un cilindro con un pistone all'interno. Le lettere Vs e Vc indicano il volume della corsa e il volume di compressione.
Di seguito è riportato l'elenco delle abbreviazioni utilizzate nella figura:
- p0: pressione atmosferica;
- pmax: pressione massima nel cilindro;
- S: corsa del pistone;
- Vs: volume sistolico;
- Vc: volume di compressione;
- W: lavoro (+ positivo e – negativo);
- Ign: momento di accensione;
- Io: la valvola di ingresso si apre;
- Us: la valvola di scarico si chiude;
- È: la valvola di ingresso si chiude;
- Uo: la valvola di scarico si apre
Andamento della pressione durante il processo a quattro tempi di un motore a benzina:
Possiamo visualizzare il diagramma dell’indicatore in quattro diverse situazioni:
- Corsa di aspirazione: il pistone si sposta da PMS a PMS e aspira l'aria. Il volume aumenta perché aumenta lo spazio sopra il pistone.
La pressione rimane costante*. La linea rossa nel diagramma dell'indicatore va da a naar b; - Corsa di compressione: il pistone si solleva e comprime l'aria. Il volume dell'aria diminuisce mentre la pressione aumenta. La linea rossa lo mostra tra i punti b en c. L'accensione avviene al termine della corsa di compressione;
- Colpo di potenza: dopo che la candela fa scintille, è necessario un po' di tempo affinché la miscela bruci completamente. Vediamo questo processo tra i punti c en d. La forza rilasciata dall'accensione spinge il pistone verso il basso. Il volume aumenta e la pressione diminuisce. Lo vediamo tra le lettere d en e;
- Corsa di scarico: la valvola di scarico si apre e il pistone spinge fuori i gas di scarico. Il volume diminuisce, la pressione rimane costante (e naar a).
Oggigiorno i produttori di veicoli ibridi lo stanno adattando sempre più Principio di Atkinson-Miller per ridurre la resistenza meccanica durante la corsa di compressione. Ciò si riflette nella linea ascendente della corsa di compressione nel diagramma dell'indicatore.
*Nella spiegazione si parla di parità di pressione durante la corsa di aspirazione. Ciò è in parte corretto. Durante la corsa di aspirazione, l'accelerazione del pistone è massima a circa 60 gradi dopo il PMS. L'aria in entrata non può seguire il pistone. In quel momento si crea la pressione negativa massima di circa -0,2 bar. La pressione della bombola poi aumenta nuovamente. L'inerzia della massa dell'aria in entrata garantisce che l'aria continui a fluire nel cilindro mentre il pistone si muove nuovamente verso l'alto. L'entità della depressione dipende dalla posizione della valvola a farfalla e dalla velocità. Un'ulteriore valvola a farfalla chiusa fornisce una maggiore depressione a un regime motore costante. Nel testo e nelle immagini sopra abbiamo trascurato l'aumento della depressione durante la massima accelerazione del pistone.
Andamento della pressione durante il processo a quattro tempi di un motore diesel:
Qui vediamo un diagramma indicatore di un motore diesel.
- corsa di aspirazione: il pistone si sposta da PMS a PMS e aspira aria (se il motore è sovralimentato);
- corsa di compressione: il pistone si muove verso l'ODP. L'aria viene compressa e la temperatura sale a più di 100 gradi Celsius a causa dell'aumento della pressione. Al termine della corsa di compressione viene iniettato il gasolio. L'iniezione del carburante inizia da 5 a 10 gradi prima del PMS e termina tra 10 e 15 gradi dopo il PMS;
- colpo di potenza: poiché il gasolio viene iniettato alla fine della corsa di compressione, inizia a bruciare mentre la pressione rimane costante. La pressione nella parte (quasi) orizzontale rimane costante, mentre il volume aumenta.
Nel colpo di potenza vediamo la dissipazione del calore isobarico dal processo del ciclo teorico.
Come nel motore a benzina, vediamo che la valvola di scarico si apre prima che il pistone raggiunga il PMS. La sovrapposizione delle valvole si verifica anche perché la valvola di ingresso si apre prima della chiusura della valvola di scarico.
Variazione di pressione al variare delle condizioni operative:
Oltre alle caratteristiche del motore che determinano il diagramma dell'indicatore, anche le condizioni operative (leggi: carico del motore) influenzano questo. L'alta pressione sopra il pistone non è sempre presente o necessaria.
I tre diagrammi indicatori riportati di seguito mostrano la variazione di pressione in relazione ai gradi dell'albero motore. I diagrammi sono stati registrati nelle seguenti condizioni:
- carico parziale: 3/4 carico a n = 4200 giri/min;
- pieno carico: a n = 2500 giri/min;
- freno motore: a n = 6000 giri/min con farfalla chiusa.
Vediamo differenze nella pressione massima del gas nella bombola tra carico parziale e pieno carico. Durante il “freno motore”, la valvola a farfalla è chiusa e c'è una forte depressione nel tratto di aspirazione e nel cilindro. A causa di questa pressione negativa, la pressione di compressione non è superiore a 3-4 bar.
Perdita di flusso:
Durante la corsa di aspirazione nel cilindro viene creato il vuoto. Aspirare l'aria costa energia. Lo vediamo anche nel diagramma degli indicatori. Tra i punti a e b la linea rossa scende al di sotto di p0 (la pressione atmosferica esterna). C'è un vuoto sotto questa linea tratteggiata (area -W). Chiamiamo queste perdite di flusso o perdite di lavaggio.
Il lavoro negativo (-W) costa energia ed è quindi indesiderabile. Il risciacquo richiede travaglio. La pressione di uscita è superiore alla pressione di ingresso. Il circuito di lavaggio è in senso antiorario sui motori autoadescanti.
I produttori applicano tecniche per limitare le perdite di flusso:
- fasatura variabile delle valvole;
- apertura rapida e ampia della valvola;
- dimensionamento ottimale dei canali di ingresso;
- andamento regolare dei canali nel tratto di aspirazione (impedendo transizioni brusche);
- sovralimentazione (tramite turbocompressore e/o compressore meccanico.
I motori dotati di sovralimentazione hanno un andamento negativo minore o nullo nel diagramma dell'indicatore. Il circuito della bobina gira in senso orario e ora produce lavoro. La pressione di sovralimentazione aiuta a spingere il pistone verso il basso (dal PMS all'ODP) durante la corsa di aspirazione. Il lavoro necessario al compressore viene estratto dai gas di scarico, poiché la girante del compressore del turbo è azionata dalla girante della turbina. Ciò significa che i motori sovralimentati sono molto più efficienti a parità di condizioni rispetto ai motori autoaspirati.
Influenza della fasatura dell'accensione sul diagramma degli indicatori:
Per ottenere il minor consumo di carburante possibile e un'elevata efficienza, è importante ottenere quanto segue:
- un breve tempo di combustione, quindi un'elevata velocità di combustione. Ciò ha a che fare con la composizione della miscela;
- corretta fasatura della combustione in relazione al movimento del pistone. Ciò è direttamente correlato alla fasatura dell'accensione. Il baricentro di combustione dovrebbe trovarsi a circa 5-10 gradi dell'albero motore dopo il PMS. Il centro di gravità è il rilascio di calore che avviene durante la combustione.
Sia l'accensione troppo anticipata che quella troppo tardiva comportano un aumento del rilascio di calore attraverso la parete del cilindro e quindi una riduzione della qualità.
- Accensione troppo presto: la pressione sale troppo presto perché la combustione inizia presto durante la fase di compressione. Il pistone viene fortemente frenato prima del PMS dalla pressione di combustione. Un'accensione troppo anticipata porta a pressioni massime elevate, con conseguente riduzione dell'efficienza meccanica e rischio di difetti del motore.
- Accensione troppo bassa: la combustione viene avviata troppo tardi. Il pistone si sta già muovendo verso l'ODP, facendo sì che la pressione nello spazio in espansione diventi insufficientemente elevata. I gas ancora in fiamme scorrevano anche oltre le valvole di scarico. Di conseguenza, la temperatura aumenta troppo. Una miscela magra dà lo stesso risultato: il gas brucia troppo lentamente. Se la miscela è troppo magra, il gas brucerà comunque all'inizio della corsa di aspirazione. Per questo motivo nei motori a carburatore può verificarsi un ritorno di fiamma.
Un moderno sistema di gestione del motore determina la corretta fasatura di accensione dai suoi parametri: in ogni circostanza, la fasatura di accensione deve essere il più vicino possibile al limite di detonazione.
Andamento della pressione nel diagramma p-α:
Il diagramma dell'indicatore può essere convertito nel diagramma della forza tangenziale. Questo mostra la forza tangenziale in funzione dell'angolo di manovella (alfa). Trasformiamo il diagramma dell'indicatore in un diagramma in cui viene rappresentata la pressione (p) in funzione dell'angolo (α): il diagramma p-α.
Nell'immagine seguente vediamo il profilo di pressione nel cilindro durante il pieno carico.
I punti blu indicano, come nella sezione “schema indicatori”, a che ora si aprono e si chiudono le valvole:
- Apertura (Io) e chiusura (Is) delle valvole di aspirazione
- Le valvole di scarico si aprono (Uo) e si chiudono (Us).
Inoltre, dai gradi dell'albero motore possiamo vedere su quale corsa sta lavorando il motore:
- 0 gradi: TDC (fine corsa di scarico, inizio corsa di aspirazione)
- 180 gradi: ODP (fine corsa di aspirazione, inizio corsa di compressione)
- 360 gradi: TDC (fine della corsa di compressione, inizio della corsa di potenza)
- 540 gradi: ODP (fine corsa di potenza, inizio corsa di scarico)
Pressione di picco del gas:
La pressione di picco del gas è massima durante la corsa di potenza. Il livello di pressione dipende dal carico del motore: quando il motore eroga molta potenza, la pressione di combustione sarà maggiore che a carico parziale.
Le quattro immagini sottostanti lo mostrano: l'apertura della valvola a farfalla TP (Throttle Position) dà un'indicazione di quanto il motore è caricato in relazione alla rotazione dell'albero motore CA (Crank Angle). In un motore a benzina medio durante la combustione a carico parziale si crea una pressione media di 4000 kPa e in questo caso di circa 5000 kPa a pieno carico. Nei motori con iniezione stratificata, regolazione dell'albero a camme e alzata variabile delle valvole, la pressione può superare i 6000 kPa.
Pressione media del gas:
Durante il processo di lavorazione la pressione nel cilindro varia enormemente. Durante la corsa di aspirazione si verifica il vuoto (se un turbo a gas di scarico fornisce una maggiore pressione dell'aria di aspirazione) e dopo la corsa di compressione si verifica un picco di pressione. Maggiore è la pressione di picco del gas, più potente è la combustione.
Per determinare la pressione media del processo di combustione, possiamo dividere il diagramma dell'indicatore in piccoli rettangoli di uguale larghezza. L'immagine seguente mostra i rettangoli blu e verdi. Calcolando l'area dei rettangoli blu possiamo calcolare la pressione positiva. Da questo sottraiamo poi l'area dei triangoli verdi. Rimaniamo quindi con la pressione media del pistone.
Con la pressione media del pistone possiamo determinare, tra le altre cose, la potenza indicata ed effettiva del motore. Visita la pagina: beni, perdite e rendimenti per saperne di più su questo.
Nell'immagine vediamo che la linea rossa cade all'esterno dei rettangoli blu: se riducessimo la larghezza di ogni rettangolo e potessimo quindi posizionare più rettangoli uno accanto all'altro, otterremmo una deviazione sempre minore. Possiamo applicare questo all'infinito. Naturalmente, in realtà non lo faremo. Applicando funzioni matematiche possiamo determinare matematicamente la superficie. Lo facciamo con integrare.
