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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)

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


( )( ) ( )[ ]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

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



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



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



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



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



Sistema di iniezioneCOMMON RAIL

Iniezione Diesel (common rail)

Iniezione Diesel (componenti)

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