motori a combustione interna

TECNICA ED ECONOMIA DEI
TRASPORTI
MOTORI A COMBUSTIONE
INTERNA
Prof.: Gino D’Ovidio
Studente: Matteo Martella
Matr. 203398
Corso di laurea magistrale:
Ingegneria Civile, percorso:
Costruzioni
A.A.: 2010/2011
I Motori a Combustione Interna: erogano la loro potenza in modo efficiente
soltanto all’interno di un determinato range di valori di numero di giri dell’albero
motore per unità di tempo.
Per poter aumentare l’intervallo in cui poter sfruttare la potenza, si ricorre al cambio
di velocità che serve a variare il rapporto tra il n° di giri nell’unità di tempo dell’albero
motore e quelli dell’albero secondario e quindi delle ruote, utilizzando al meglio la
potenza del motore secondo le necessità.
La frizione è l’organo di trasmissione che consente l’innesco o il disinnesco tra l’albero
motore ed il cambio. Il collegamento che deve garantire deve essere dolce e graduale,
per evitare contraccolpi alle ruote e a tale scopo si utilizza l’attrito che si sviluppa tra
due superfici a contatto.
Ad una fase di slittamento della frizione (variabile tra 1 e 4 sec.) segue il contatto
diretto e solidale.
Le due parti sono spinte l’una contro l’altra da molle che garantiscono uno sforzo di
contatto uniforme nel tempo; la spinta delle molle deve garantire una forza d’attrito
superiore a quella comunicata dal motore al cambio.
Nel motore a combustione interna (MCI) l’organo attivo è il sistema pistone-cilindro.
Al moto alternativo del pistone corrispondono 4 fasi:
•Compressione;
•Combustione;
•Espansione;
•Scarico/Aspirazione.
Le fasi del moto alternativo del pistone
La fase attiva è quella di espansione, durante la quale si ottiene un lavoro attivo
mentre per le altre fasi il lavoro viene assorbito a spese dell’energia cinetica
immagazzinata nel volano.
Tenendo conto che il volano fornisce un moto di rotazione pressoché uniforme
dell’albero, si può ritenere che ogni singolo pistone, nella fase di espansione, fornisca
una forza media T1 data da:
P1 = pressione media durante la fase d’espansione del pistone
S1 = area del pistone
Il lavoro fornito da ciascun pistone:
h1 = corsa del pistone (distanza tra i due punti morti)
Con ciò si è definito il lavoro compiuto dal pistone in un cilindro, ma le macchine possiedono più
cilindri. Allora dato un veicolo a z cilindri ed indicando con n1 il n° di giri dell’albero motore,
risulta:
a = n° di fasi di espansione di ciascun cilindro per ogni giro dell’albero motore
(per motori a 4 tempi, a=0,5).
I due punti estremi in cui il pistone dei motori a combustione interna si arresta e
inverte la corsa, si indica come punto morto; quest'arresto si presenta ogni qualvolta
l'asse del perno di manovella (meccanismo che permette la rotazione di un perno)
incrocia l'asse del cilindro.
La trasmissione della coppia nei veicoli dotati di motori a combustione interna
(illustrazione schematica)
Nei motori a combustione interna la potenza N1 cresce linearmente con n1.
Nei motori ad accensione comandata la regolazione della potenza avviene per mezzo
di una valvola a farfalla, a valle del carburatore, il passaggio della miscela ariacarburante.
Nei motori ad iniezione il carburatore è sostituito dall'iniettore.
Quanto più grande è la quantità di miscela immessa nei cilindri per unità di tempo,
tanto più grande sarà n1 e quindi la potenza fornita dal motore.
La coppia C1 presente sull'albero motore è:
Utilizzando la cilindrata
,
In condizioni ideali (assenza di perdite) la coppia
risulta indipendente da n1.
In realtà la coppia
varia al variare di n1 in quanto:
•per regimi elevati si ha un riempimento incompleto dei cilindri, dovuto
principalmente a residui di gas di scarico che non vengono eliminati;
•per regimi bassi i cilindri non vengono riempiti completamente.
Pertanto la curva di coppia presenta un massimo in corrispondenza di un determinato
valore n° di giri per unità di tempo.
I Motori a Combustione Interna, presentano un rendimento ottimale per n° giri per
unità di tempo né basso né alto; raggiungono la potenza max poco al di sopra (20%)
del n° di giri per unità di tempo in corrispondenza della coppia max e quindi nel tratto
discendente della coppia.
Per prestazioni meccaniche di un autoveicolo si intendono i valori della trazione, della
velocità e dell’accelerazione conseguiti durante il moto.
Le performance di un autoveicolo, di dato peso e dimensioni, dipendono dalle
caratteristiche del motore (potenza e coppia) e della trasmissione (rapporti al ponte e
al cambio).
Le caratteristiche del motore dipendono esclusivamente dalle specifiche costruttive e
dalle condizioni di funzionamento del motore stesso.
In un motore a combustione interna la potenza e la coppia dipendono dal numero di
giri dell’albero motore.
Le curve N = N(n) e C = C(n) assumono un andamento del genere:
*Coppia fornita dal motore sull'albero motore primario con un numero di giri nell'unità di tempo (n)
compresi tra 15 e 95 giri/sec con legge
Andamento della coppia C1 e della potenza N1, al variare del numero di giri nell'unità di tempo dell'albero
primario.
La potenza aumenta fino a raggiungere un massimo in corrispondenza al numero
di giri n2 (regime di potenza massima); la coppia invece raggiunge il massimo in
corrispondenza al numero di giri n1 (regime di coppia massima).
Le curve di potenza e di coppia, dette curve caratteristiche, possono essere rilevate
sperimentalmente mediante un “freno dinamometrico”, in cui viene rilevata, per
punti, la coppia in funzione del numero di giri dell’albero motore mentre, il
corrispondente valore della potenza si può calcolare mediante la formula:
L’andamento delle curve di potenza e coppia è limitato da due valori limite di numero
di giri nmin e nmax.
- Il numero di giri minimo è individuato dal fatto che per basse velocità di rotazione
l’eventuale potenza erogata non è sufficiente a vincere la potenza assorbita dagli attriti
interni ai meccanismi del motore ed alle fasi resistenti del ciclo termodinamico (nmin
può essere abbassato, ove necessario, applicando un volano).
- Il numero di giri massimo è conseguente del fatto che per alte velocità di rotazione
gli elementi rotanti, o dotati di moto alternato, del motore subiscono sollecitazioni così
elevate che porterebbero a danneggiamenti o rotture (motore in fuori giri).
L’andamento della curva di potenza inizialmente crescente, diventa decrescente
raggiunto un massimo; questo avviene a causa della comprimibilità dell’aria ed alle
resistenze che questa incontra nel condotto di aspirazione.
Infatti, ad alte velocità, l’aria presente nel condotto non riesce ad entrare
completamente all’interno del cilindro, determinando una caduta nella potenza
erogata dal motore.
La retta uscente dall’origine è tangente alla curva di potenza in corrispondenza di un
determinato numero di giri ove si realizzano le condizioni di coppia massima, infatti
essendo per tutti i punti della curva C = 716,2 N/n, il massimo di C si ha per il massimo
del rapporto N/n (coefficiente angolare delle rette uscenti dall’origine), che è anche la
tangente alla curva delle potenze.
Motore Ideale:
E’ il motore che eroga sempre la medesima potenza al variare del numero di giri.
La potenza considerata è quella massima.
La caratteristica di potenza di un motore ideale è costituita da una retta orizzontale:
Poiché la curva di potenza di un motore ideale è una retta orizzontale, la curva
caratteristica della coppia, in base alle considerazioni precedentemente esposte, sarà
data da un’iperbole equilatera, che ha come asintoti l’asse delle ascisse e l’asse delle
ordinate, di equazione
C = 716,2 ⋅ N /n.
Un motore con caratteristica simile a quella del motore ideale risulta molto stabile ai
fini della trazione; infatti riportando nel diagramma T - V le curve relative alle
resistenze ordinarie al moto, di equazione R = a + b V2, si ha che tali curve intersecano
la curva di trazione in corrispondenza di diversi punti di equilibrio. Se per una qualsiasi
causa, si ha un aumento delle resistenze al moto (es. resistenza di livelletta), la curva
delle resistenze varia traslando verso l’alto, ed il nuovo punto di equilibrio sarà
caratterizzato da un valore di velocità inferiore e di coppia motrice maggiore.
Il motore quindi reagisce all’aumento delle resistenze al moto diminuendo la velocità
ed aumentando la coppia fornita, analogamente si ha che per una data curva delle
resistenze, una diminuzione della velocità determina un prevalere dello sforzo di
trazione rispetto le resistenze al moto, ed una conseguente accelerazione positiva
proporzionale a T - R.
Il veicolo tende a riassumere la velocità di equilibrio definita dall’uguaglianza T = R;
questa capacità di adattamento del motore alle condizioni esterne si definisce appunto
stabilità del motore al moto.
Il motore a combustione interna non presenta una caratteristica di trazione stabile; nel
caso di motore ideale resta sempre individuata, all’aumentare delle resistenze, la
velocità di equilibrio, mentre per il motore reale il campo delle resistenze per cui si
realizzano regimi di equilibrio risulta limitato.
Ne consegue che per il motore reale la
stabilità è garantita entro un limitato
“range” di resistenze, da questa
limitazione nasce l’esigenza di utilizzare
un dispositivo che consenta di variare il
comportamento del motore in relazione
alle diverse condizioni incontrate
durante il moto del veicolo (il cambio di
velocità).
Un parametro utilizzato per definire il
comportamento di un motore reale
rispetto ad un motore ideale è
l’elasticità del motore.
Viene definito a tal proposito il Grado di Elasticità:
*
= coppia max dal motore
= n° di giri per unità di tempo in corrispondenza del quale si ha
= coppia fornita dal motore in corrispondenza del n° di giri per unità di tempo max
= n° di giri per unità di tempo in corrispondenza di
Un motore è tanto più elastico quanto più è pendente la curva di coppia nel tratto
discendente e quanto più ha la potenza pressoché costante con il massimo spostato
verso bassi regimi di rotazione.
Tramite il cambio (variazione del rapporto di trasmissione) la coppia C1 viene
trasmessa dall'albero primario a quello secondario;
Tramite il differenziale la coppia viene trasmessa dall'albero secondario all'asse delle
ruote motrici.
La potenza fornita dal motore Nm risulta sempre maggiore o uguale di quella
trasmessa alle ruote N per effetto delle perdite di energia (
):
dove
è il rendimento, C la coppia trasmessa alle ruote e C1 la coppia presente
sull'albero motore.
La coppia trasmessa alle ruote è proporzionale a quella generata dal motore:
Per un motore ideale il valore di elasticità è costante in ogni punto e risulta infinito,
essendo N = cost, nel caso reale il valore di elasticità è variabile per ogni regime di
funzionamento del motore.
Per i confronti è più indicato riferirsi ad un determinato tratto, tra due regimi n1 e n2, e
considerare un valore di elasticità media.
All'interno del cambio, per il rispetto delle condizioni cinematiche, la velocità periferica di
rotazione di due ruote accoppiate deve essere uguale a:
* E=
Il massimo indice di elasticità di un motore si ha in corrispondenza al punto in cui la
caratteristica di potenza ha la tangente orizzontale:
Convenzionalmente si definisce rigido un motore che fornisce una coppia costante al variare del
numero di giri, la potenza erogata dal motore varierà linearmente, di conseguenza l’indice di
elasticità di tale motore sarà piuttosto basso:
Nella figura seguente invece, è rappresentato un confronto tra le curve caratteristiche
di due motori aventi differenti indici di elasticità:
Quanto più la caratteristica della coppia è discendente, tanto più il motore è stabile,
perché è in grado di rispondere a sensibili variazioni di carico esterno con piccole
variazioni di giri, inoltre cresce l’indice di elasticità del motore, determinando la
necessità di un cambio con meno rapporti.
La tendenza attuale nella progettazione ha portato alla produzione di motori con
prestazioni sempre più esasperate, per data cilindrata. Si sono quindi “impennate” le
curve di potenza , con diminuzione dell’elasticità dei motori;
tutto questo determina la necessità di applicare cambi di velocità con un numero di
rapporti elevato.
Si osservi il caso di un cambio a cinque marce:
Nel caso di primo rapporto (l'albero primario e quello aggiuntivo, hanno segno di
rotazione opposta) si ha che:
1)
2)
Sostituendo nA nella seconda si ha:
Tale quantità è denominata rapporto al cambio per il rapporto 1 ed esprime il
rapporto di rotazione tra alberi primario e secondario.
Si consideri un veicolo di larghezza L che percorre una curva di raggio r con velocità
angolare ω, in tal caso:
•le ruote interne rispetto alla curva percorrono nell'unità di tempo un tratto di strada:
•le ruote esterne rispetto alla curva percorrono nell'unità di tempo un tratto di strada:
La differenza di lunghezza dei percorsi seguiti dalle ruote nell'unità di tempo risulta:
Tale differenza aumenta con l'aumentare delle velocità e della larghezza del veicolo e
con il diminuire del raggio della curva.
Se le ruote dello stesso asse fossero calettate tra loro in modo rigido, si avrebbe uno
scorrimento con rischio di perdita di stabilità del veicolo, un aumento delle resistenze.
Per evitare questi problemi, le ruote non motrici sono indipendenti alla rotazione e le
ruote motrici, dovendo ricevere il moto da un unico albero motore, sono unite tra loro
tramite il differenziale che consente alle singole ruote di avere una velocità angolare
differente.
Come nel cambio anche nel differenziale esiste un rapporto di trasmissione tra albero
secondario e ruote, denominato rapporto al ponte (per gli autoveicoli vale circa 0,2).
Il rapporto di trasmissione totale è dato dal prodotto tra il rapporto al cambio ed il
rapporto al ponte.
Un motore a combustione interna converte l'energia termica in energia meccanica
che viene trasmessa alle ruote attraverso gli organi di trasmissione
(cambio e differenziale).
La potenza alle ruote N è minore di quella fornita dal motore Nm all'albero primario in
quanto esistono delle perdite di energia dovute all'attrito esistente fra gli organi di
trasmissione.
η = parametro inferiore ad 1 che tiene conto di tutte le perdite meccaniche di
trasmissione.
Valori di riferimento di η, per un veicolo stradale sono:
•senza nessun rapporto innestato:
η1 = 0,98
•cambio con il rapporto innestato:
η1 = 0,95
•giunti:
η2 = 0,98
•differenziale:
η3 = 0,96
•ruote:
η4 = 0,97
Un valore di riferimento del rendimento della trasmissione per un veicolo stradale con
marce innestate risulta:
η1 ·η2 ·η3 ·η4 ·η1 = 0,95 · 0,98 · 0,96 · 0,97 = 0,87
L’utilizzo di una trasmissione meccanica consente di trasferire alle ruote valori
modificati di coppia ed numero di giri (quindi V), la curva della trazione in funzione
della velocità del veicolo, T = T(V), ha un andamento del genere:
Un indicatore globale delle caratteristiche di potenza di un veicolo è la:
• Potenza specifica (N’): rapporto tra la potenza erogata dal motore e la massa del
veicolo.
•vetture normali:
N’= 25 – 100
•vetture sportive:
N’ = 75 – 150
•vetture da competizione:
N’ = 100 – 400
Si indica con C il momento fornito dal motore ed applicato alla periferia delle ruote e
con ω la velocità angolare di rotazione delle ruote la potenza fornita dal motore
risulta:
In condizioni ideali (nessuna perdita di energia) la potenza rimane costante al variare
della velocità angolare:
•Caratteristica Meccanica di Trazione (CMT): La relazione che fornisce la variazione
del momento C, applicato alla periferia delle ruote motrici al variare della velocità
delle stesse.
angolare
Ai fini della locomozione, il motore ideale è quello di cui si può sfruttare la potenza
massima ad ogni velocità e con qualunque condizione di tracciato stradale.
In queste condizioni la caratteristica di trazione ideale C·n = cost. è rappresentata dal
grafico seguente.
Sotto quest'ipotesi lo sforzo di trazione si adatta alla prestazione richiesta.
Andamento della Caratteristica Meccanica di Trazione di un motore ideale a potenza
costante (N = 40 Kw)
Un motore reale che fornisce una potenza perfettamente costante al variare del
numero di giri nell'unità di tempo non esiste e pertanto si utilizzano vari accorgimenti
per far spendere la CMT reale a quella ideale.
Tra motore e ruote si inserisce il cambio proprio per favorire un andamento della curva
il più possibile vicino a quello reale.
La velocità angolare di rotazione dell'albero di trasmissione primario
,
tramite il rapporto al cambio mC, viene trasmessa all'albero di trasmissione secondario
,
.
Per un prefissato rapporto al cambio mC, la velocità dell'albero secondario risulta:
L'albero secondario trasmette alle ruote, tramite il differenziale, il moto.
Anche nel differenziale esiste un rapporto di trasmissione (mp).
Il n° di giri (n) delle ruote per unità di tempo risulta quindi:
e la corrispondente velocità periferica
Il cambio va progettato in modo tale che, a parità di coppia presente sull'albero
primario, la coppia presente sull'albero secondario si avvicini il più possibile a quella
reale.
La curva ottenuta può essere traslata verso l'alto o verso il basso, variando
opportunamente la quantità di miscela immessa nei cilindri.
Uno dei modi di progettare un cambio consiste nel garantire che la velocità massima
raggiungibile con un rapporto, sia uguale alla minima velocità raggiungibile con il
rapporto immediatamente superiore.
In tal modo il motore può sempre funzionare in un campo ottimale di rendimento
(a potenza quasi costante e pari a quella max).
Inoltre utilizzando i tratti discendenti di ciascuna curva di trazione si potrebbe
approssimare la curva caratteristica ideale.
In alcuni casi i valori nmax ed nmin sono corrispondenti rispettivamente al punto di
massima potenza e di massima coppia del motore.
Questo modo di procedere può essere rappresentato in forma grafica in un sistema di
assi cartesiani dove nelle ascisse si riportano le velocità d'avanzamento del veicolo e
nelle ordinate il n° di giri, nell'unità di tempo, del motore.
Il motore funziona in condizioni ideali per un intervallo di giri del motore compreso tra
nmin ed nmax.
In condizioni ideali e quindi in fase di progetto, la velocità di percorrenza max con un
generico rapporto deve coincidere con la velocità min di percorrenza del rapporto
successivo.
Per ogni rapporto al cambio si individua un intervallo ottimale per la velocità di
percorrenza del veicolo.
I vari rapporti al cambio sono caratterizzati da un identico intervallo ottimale di
rotazione del motore e differenti intervalli ottimali di velocità di avanzamento del
veicolo.
Coppia fornita dal motore sull'albero motore secondario con un numero di giri nell'unità di
tempo (n) compresi tra 15 e 95 giri/sec con legge
e rapporto al
cambio per le cinque marce 4,1 , 2,6 , 1,6 , 1,0 , 0,63.
Andamento della coppia sull'albero secondario, per una prefissata quantità di miscela ariacarburante per unità di tempo fornita all'interno dei cilindri.
In tale diagramma sono riportate le curve di coppia alle ruote, a piena ammissione
(100%), ed ad ammissione minima (10%), in funzione della velocità del veicolo (V) e
della marcia inserita, (I – II – III – IV); per ciascuna marcia inserita si hanno dei valori
minimi e massimi di velocità che il veicolo può raggiungere,
(VImin−VImax), …, (VIVmin-VIV max).
La possibilità di raggiungere un valore di velocità in più marce, è strettamente
correlata all’ammissione del motore (posizione dell’acceleratore): se il veicolo viaggia
ad una velocità, V*, compresa tra la velocità minima in seconda marcia, VII min, e la
massima in prima marcia, VI max, l’utente per vincere le resistenze al moto ed
avanzare a velocità costante, può adoperare il cambio innestando la prima o la
seconda marcia.
dove l’equazione R = a + b V2, rappresenta le curve relative alle resistenze ordinarie al
moto, del diagramma T-V.
A velocità costante, il rapporto di trasmissione totale diminuisce e con esso il numero
di giri del motore, ne consegue che, per avere la stessa potenza, dovrà aumentare la
coppia erogata; in seconda marcia l’ammissione dovrà essere superiore a quella di
prima marcia.
Ogni intervallo di utilizzazione è rappresentato da un segmento; l'inclinazione del
segmento rispetto all'asse delle ascisse (tangente dell'angolo formato tra il segmento e
l'asse delle ascisse), è data dal rapporto:
Illustrazione di un possibile schema della relazione tra numero di giri nell'unità di tempo del
motore e velocità per un veicolo con motore a combustione interna dotato di cambio
meccanico.
Gr azie
per
l’attenzione