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Titolo: [TECNICA] Processi di combustione e affini [PRIMA PARTE]

Ho notato che si è parlato e si parla spesso di questo argomento, del come
mai i motori Diesel non raggiungano regimi elevati (io direi che non
raggiungono nemmeno regimi "normali" :PPPPPPPP), delle differenze tra
benzina e diesel, ecc. ecc.
Così, siccome stò leggendo un libro sui motori a 4 tempi molto carino, mi è
venuta l'idea di scrivere questa specie di FAQ.
Cominciamo con una:
- CLASSIFICAZIONE FONDAMENTALE
I motori a 4 tempi si distinguono essenzialmente in:
- motori ad accensione comandata
- motori ad accensione spontanea
I motori ad accensione comandata vengono chiamati motori a ciclo Otto in
base alle caratteristiche del ciclo operativo teorico dove la combustione
avviene a volume costante. La carica aspirata è generalmente costituita da
una miscela gassosa di aria e vapori di benzina (ma possono essere anche
usati, come combustibili, gas o gas liquefatti).
La miscela viene preparata, all'esterno del cilindro, in un apposito
dispositivo detto carburatore, oppure la benzina può venire iniettata nel
condotto d'aspirazione in prossimità della o delle valvole (alimentazione a
iniezione).
La combustione della miscela all'interno del cilindro viene innescata, verso
la fine della corsa di compressione, da una scintilla elettrica che scocca
tra gli elettrodi di un apposito dispositivo chiamato candela. La
regolazione della potenza erogata avviene variando la quantità di carica
introdotta, per ogni ciclo, nel cilindro.
La dosatura della carica viene effettuata per strozzamento mediante
un'apposita valvola, detta a farfalla.
I motori ad accensione spontanea prendono il nome di motori Diesel in
omaggio a Rudolph Diesel, ideatore del ciclo operativo teorico dove la
combustione avviene a pressione costante, anche se in pratica ciò è ottenuto
solo parzialmente.
In questi motori la carica aspirata è costituita da sola aria, mentre il
combustibile, generalmente gasolio, viene iniettato finemente polverizzato
nella camera di combustione mediante un iniettore alimentato dalla pompa di
iniezione.
L'accensione del combustibile avviene spontaneamente, per effetto delle
elevate temperature che si raggiungono comprimendo l'aria aspirata
all'interno del cilindro.
Per questo motivo il rapporto di compressione (inteso come rapporto tra il
volume totale del cilindro e il volume della camera di combustione) nei
motori Diesel deve assumere valori notevolmente elevati (compresi tra 14 e
22) rispetto ai valori che si riscontrano nei motori a ciclo Otto (variabili
tra 6 e 11).
Nei motori Diesel la regolazione di potenza viene ottenuta variando la
quantità di combustibile introdotto e non la quantità di aria aspirata, per
ogni ciclo, nel cilindro (sono pertanto privi di valvola a farfalla).
Per garantire che il regime di rotazione si mantenga costante, pur variando
il carico, questi motori vengono muniti di un particolare dispositivo, detto
regolatore, capace di intervenire sulla quantità di combustibile iniettato
al variare del regime di rotazione del motore. I regolatori sono
generalmente di tipo meccanico e vongono azionati da forza centrifuga che
agisce su apposite masse.
I motori Diesel possono essere ad iniezione diretta, quando il combustibile
viene iniettato nella parte superiore del cilindro e lo spazio di
combustione è ricavato nel pistone, oppure a precamera, quando l'iniezione
del combustibile avviene in un'apposita camera comunicante con la camera di
combustione principale compresa tra pistone e testata.
A causa della maggior lentezza con cui avviene la combustione, il massimo
regime di rotazione dei motori Diesel risulta notevolmente inferiore
rispetto a quello dei motori a ciclo Otto ed inoltre, date le elevate
pressioni che si raggiungono durante il ciclo Diesel, viene richiesto un
maggiore dimensionamento degli organi meccanici.
Pertanto, a parità di potenza massima erogata, i motori Diesel presentano
dimensioni e peso sensibilmente superiori a quelli dei motori a ciclo Otto.
Per diminuire il valore del rapporto peso/potenza, nei motori Diesel oggi si
ricorre molto spesso alla sovralimentazione, che consiste nell'immetere nel
motore aria compressa. In tal modo è possibile aumentare la quantità di
combustibile che può essere bruciato per ogni ciclo, con forte aumento della
potenza resa.
- I CICLI IDEALI
E' necessario schematizzare le trasformazioni termodinamiche che avvengono
all'interno del motore immaginando cicli teorici che, pur non considerando
le perdite di varia natura che si verificano nei cicli reali, siano atti a
caratterizzare, attraverso la valutazione del loro rendimento termico, la
possibile utilizzazione del calore tipica dei cicli stessi. Questi cicli
vengono definiti cicli ideali.
Essi vengono costruiti ricorrendo a notevoli semplificazioni. In primo luogo
sono considerati come cicli chiusi, supponendo che il fluido attivo
contenuto nel cilindro sia sempre il medesimo. In realtà, i gas combusti
durante il ciclo precedente devono essere rimossi dal cilindro dove viene
immesso fluido fresco, con conseguente perdita di lavoro utile.
Inoltre si suppone che il calore assorbito dal fluido in determinati momenti
del ciclo venga fornito dall'esterno. In pratica, il calore è generato dal
combustibile che brucia all'interno del cilindro e, poichè l'ossidazione del
combustibile introdotto non è mai completa, si hanno perdite di calore.
Nei cicli ideali si suppone che il fluido attivo contenuto nel cilindro si
comporti come un gas perfetto a calore specifico costante. In realtà, il suo
calore specifico è variabile e dipende dalla temperatura e dalla
composizione del fluido.
Infine, si suppone che i processi di compressione ed espansione avvengano
adiabaticmente(adiabatica è una trasformazione reversibile che avviene senza
scambio di calore). In effetti, a causa delle notevoli differenze di
temperatura esistenti tra il fluido e le pareti del cilindro, la testata ed
il cielo del pistone, si verificano notevoli scambi termici che si traducono
in ulteriori perdite di calore.
Per una macchina termica la capacità di utilizzare calore per produrre
lavoro viene descritta dal suo rendimento termico ideale:
n = 1 - (Q2 / Q1) = L / Q1
definito come il rapporto tra l'equivalente termico del lavoro ottenuto
durante il ciclo ed il calore speso per ottenerlo.
Dividendo l'area del ciclo (ricordiamo che l'area del ciclo rappresenta il
lavoro da esso compiuto) per la differenza tra i volumi massimo e minimo
occupati dal fluido, si ottiene la pressione media del ciclo:
pm = S / (Vmax - Vmin)
Essa rappresenta il lavoro compiuto dal fluido per unità di volume spazzato
e per ciclo. E' pratica usuale riferirsi al valore della pressione media per
confrontare cicli di lavoro compiuti da motori diversi e con cilindri di
diverse dimensioni.
La pressione media del ciclo rappresenta anche quella pressione costante
che, se agisse sul pistone per tutto il tempo corrispondente alla variazione
di volume da Vmax a Vmin, genererebbe un lavoro pari a quello del ciclo.
- Il ciclo generalizzato
Consideriamo un ciclo generalizzato, e poniamo:
cp = calore specifico del fluido attivo a pressione costante
cv = calore specifico del fluido attivo a volume costante
k = cp / cv
c = rapporto di compressione = v1 / v2
e = rapporto di combustione a volume costante tra le pressioni finale ed
iniziale della fase di combustione = p'3 / p2
t = rapporto di combustione a pressione costante tra i volumi iniziale e
finale della fase di combustione, ottenuti a pressione massima (costante) =
v3 / v'3
o = rapporto di espansione tra volumi minimo e massimo della fase di
espansione = v4 / v3
y = v'1 / v1 = t (o / c)
Attraverso vari passaggi che non riporto, si ottiene l'espressione del
rendimento termico ideale del ciclo generalizzato:
n = 1 - [1 / c^(k-1)] [ e t ((t / y)^(k-1)) - y + k (y - 1)] / [e - 1 + k e
(t - 1)]
Attraverso altri passaggi si ottiene inoltre l'espressione della pressione
media del ciclo generalizzato:
pm = [p1 / (k - 1)] [c^(k) / (y c -1)] n [e -1 + k e (t - 1)]
dove p1 è il valore della pressione nel cilindro prima della fase di
compressione.
- Il ciclo Otto ideale
E' il ciclo ideale tipico dei motori ad accensione comandata. In esso le
quantità di calore q1 e q2 sono rispettivamente fornite e sottratte
esclusivamente a volume costante.
Le fasi di compressione ed espansione sono adiabatiche.
Le espressioni del rendimento termico ideale e della pressione media del
ciclo possono dedursi da quelle ricavate per il ciclo generalizzato, con le
seguenti ovvie sostituzioni:
t = 1,  y = 1
Risulta pertanto:
n = 1 - [1 / c^(k - 1)]
pm = [p1 / (k - 1)] [c^(k) / (c -1)] n (e - 1)
- Il ciclo Diesel ideale
E' conosciuto come il ciclo ideale tipico dei motori ad accensione
spontanea, mentre in realtà può essere considerato rappresentativo solo nel
caso di motori Diesel particolarmente grandi e lenti, adatti per
installazioni marine o grandi gruppi elettrogeni.
In esso la quantità di calore q1 è fornita a pressione costante, mentre la
quantità di calore q2 viene sottratta volume costante.
Le fasi di compressione ed espansione sono considerate adiabatiche.
Ponendo:
e = 1,  y = 1
si ottiene:
n = 1 - [1 / c^(k - 1)] [(t^(k) - 1) / k (t -1)]
pm = [p1 / (k - 1)] [c^(k) / (c - 1)] n k (t - 1)
- Il ciclo Sabathè ideale
E' un ciclo ideale ad introduzione di calore mista, parte a pressione e
parte a volume costante. Può essere considerato come un caso intermedio tra
i due precedenti. I motori Diesel moderni seguono questo ciclo piuttosto che
il ciclo Diesel propriamente detto.
La quantità di calore complessivamente fornita è costituita da una parte q'1
ceduta a volume costante e da una parte q''1 ceduta a pressione costante. La
quantità di calore q2 viene invece sottratta esclusivamente a volume
costante.
Le fasi di compressione ed espansione sono ancora adiabatiche.
Ponendo:
y = 1
risulta:
n = 1 - [1 / c^(k - 1)] [e t^(k) -1] / [e - 1 + k e (t - 1)]
pm = p1 / (k - 1) [c^(k) / (c -1)] n [e - 1 + k e (t - 1)]
Ora bisogna solo stabilire quante delle auto Diesel dei partecipanti di
questo ng seguono il ciclo Sabathè, cioè quello dei Diesel con le palle, e
quante seguono il ciclo Diesel vero e proprio, cioè quello dei catramoni
polmonici......risualta abbastanza evidente che la stragrandissima
maggioranza segue necessariamente il ciclo Diesel propriamente
detto........................:PPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPP
- Esame dei cicli ideali
Le espressioni appena ricavate mostrano l'influenza dei rapporti di
compressione e di combustione sul rendimento e la pressione media dei cicli
stessi.
Appare immediatamente che il rendimento termico ideale n dei tre cicli
cresce al crescere del rapporto di compressione c con legge di variazione
iperbolica. questo significa che nel campo delle basse compressioni i
benefici ottenuti con l'aumento di c sono assai più significativi che non
nel campo delle alte compressioni.
Per meglio comprendere le differenze esistenti tra i tre cicli
risulta utile farne un breve esame.
A) Il ciclo Otto, caratteristico dei motori ad accensione comandata,
presenta un rendimento termico ideale che dipende esclusivamente dai valori
di c e dell'esponente k delle adiabatiche di compressione ed espansione, ed
aumenta all'aumentare di questi.
Il valore del rapporto di combustione a volume costante (e) è privo di
influenza nel ciclo Otto, vale a dire che il rendimento del ciclo è
indipendente dalla quantità di calore q1 ricevuta.
Il massimo valore del rapporto di compressione risulta limitato, oltre che
dall'opportunità di contenere i massimi valori della pressione e della
temperatura raggiunti durante il ciclo, anche dalla necessità di ottenere
una corretta combustione della miscela aria-benzina, esente dal pericolo di
detonazioni.
Non bisogna infatti dimenticare che il motore a ciclo Otto utilizza una
miscela gassosa di aria e carburante, estremamente omogenea in sè, che viene
preparata all'esterno del cilindro. Questa miscela viene aspirata e quindi
compressa dal pistone durante la corsa di compressione ed infine accesa, in
un punto della camera di combustione, mediante una scintilla elettrica. da
questo punto la fiamma si propaga progressivamente, con fronte sferico, in
tutta la camera di combustione. Per effetto della combustione si genera nel
cilindro un elevato aumento di pressione che produce la corsa attiva del
pistone.
La velocità di propagazione del fronte di fiamma risulta di 30-35 metri al
secondo, cioè non di molto superiore alla velocità lineare media del
pistone. Questa relativa lentezza di propagazione fa sì che, nei motori a
ciclo Otto, il diametro dei pistoni non possa superare di molto i 10 cm.
Se il rapporto di compressione raggiungesse valori troppo elevati, il forte
riscaldamento prodotto dalla compressione provocherebbe l'accensione
spontanea della miscela contemporaneamente in tutti i punti della camera di
combustione. In questo caso la combustione della miscela avverrebbe così
rapidamente da provocare una vera e propria detonazione, con irreparabili
danni agli organi meccanici del motore.
La pressione media del ciclo Otto aumenta all'aumentare della pressione
iniziale p1, del rapporto di compressione c, di k e del rapporto di
combustione a volume costante e (che nel ciclo Otto teorico può raggiungere
il valore massimo e = 4) risultando l'area del ciclo proporzionale alla
quantità di calore q1 introdotta.
B) Il ciclo Diesel è caratteristico dei motori ad accensione spontanea lenti
e di grandi dimensioni. Il suo rendimento termico ideale risulta funzione,
oltre che dai valori di c e di k, anche dal valore del rapporto di
combustione a pressione costante t.
Esso aumenta all'aumentare di c e di k, mentre risulta funzione decrescente
di t. Questi significa che il rendimento termico del ciclo diminuisce
all'aumentare della quantità di calore fornita q1, per cui i massimi valori
del rendimento si raggiungono durante il funzionamento a carico minimo. Nel
caso limite t = 1 (cioè in assenza di introduzione di calore) il rendimento
termico del ciclo Diesel raggiunge il suo massimo valore ed assume la stessa
espressione trovata per il ciclo Otto che, a parità di rapporto di
compressione e di calore fornito, presenta pertanto un rendimento termico
superiore ( :PPPPP ).
Il campo di varibilità di c risulta compreso tra 14 e 22, conformemente ai
valori che si riscontrano in pratica. Il limite superiore c = 22 può essere
raggiunto in funzione del fatto che, a differenza di quanto avviene nei
motori ad accensione comandata, nei motori Diesel, date le differenti
modalità con cui si evolve la combustione, elevati valori del rapporto di
compressione non aumentano il pericolo della detonazione, semmai al
contrario lo riducono. Valori di c superiori a 22 genererebbero
sollecitazioni meccaniche e termiche inaccettabili per gli organi del
motore.
Il limite inferiore c = 14 è imposto dalla necessità di ottenere, alla fine
della fase di combustione, una temperatura sufficientemente elevata da
provocare l'autoaccensione del combustibile.
Infatti nei motori Diesel il combustibile viene iniettato nel cilindro
quando il pistone ha fortemente compresso, e quindi surriscaldato, un volume
di aria pura. La temperatura raggiunta dall'aria per la forte compressione è
tale da far accendere spontaneamente le goccioline di gasolio finemente
polverizzato. Risulta evidente che, per ottenere nell'aria compressa una
temperatura superiore ai 770 K che permetta al gasolio di accendersi
spontaneamente, occorre comprimerla a pressioni notevolmente elevate.
Sin d'ora si comprende la sostanziale differenza tra i motori a ciclo Otto e
quelli a ciclo Diesel: mentre i primi utilizzano una miscela gassosa di aria
e benzina, estremamente omogenea in sè, la cui accensione non può esser
fatta avvenire spontaneamente in quanto, avvenendo contemporaneamente in
tutti i punti della camera di combustione, provocherebbe detonazione, i
secondi utilizzano invece un combustibile liquido che, per quanto finemente
polverizzato in aria, non è pur sempre con questa omogeneo.
La combustione del gasolio in aria non è mai immediata in quanto, dopo che è
stato iniettato, esso deve evaporare ed i suoi vapori mescolarsi con l'aria
formando una miscela combustibile.
L'iniezione del gasolio, che inizia poco prima del punto morto superiore
(P.M.S.), dura per un certo periodo durante il quale, una volta che si è
innescata la combustione, esso brucia mano a mano che viene iniettato.
Essendo l'andamento della combustione controllato dal processo di iniezione,
l'accensione del gasolio in aria può essere fatta avvenire spontaneamente.
In questo caso, a differenza di quanto avviene nei motori ad accensione
comandata, non esiste alcuna limitazione al diametro dei pistoni che può
essere anche molto grande.
La pressione media del ciclo Diesel aumenta all'aumentare della pressione
iniziale p1, del rapporto di compressione c e dell'esponente k, mentre
aumenta in modo sempre meno significativo con l'aumentare del rapporto di
combustione a pressione costante t in quanto l'aumento di questo parametro
provoca una diminuzione del rendimento termico.
C) Il ciclo Sabathè è caratteristico dei moderni motori Diesel veloci
(veloci......si fa per dire! :PPPP).
Esso presenta un andamento intermedio tra i due cicli Otto e Diesel. Il suo
rendimento termico è funzione del rapporto di compressione c, del valore
dell'esponenete k, del rapporto di combustione a volume costante (e) e del
rapporto di combustione a pressione costante t. Il rendimento termico
aumenta al crescere di c, k ed e, mentre diminuisce al crescere di t.
Infatti, a parità di calore introdotto q1, i valori di (e) e di t
definiscono rispettivamente quanta parte di calore introdotto è fornita a
volume costante e quanta a pressione costante. Un aumento del rapporto e / t
porta ad un aumento del rendimento termico del ciclo che si approssima
progressivamente al ciclo Otto, identificandosi con esso nel caso limite t =
1. Per contro, una riduzione del rapporto e / t dà luogo ad una diminuzione
del rendimento termico del ciclo che, per e = 1, si riduce ad un ciclo
Diesel.
Per un dato valore della quantità di calore q1 complessivamente introdotta,
i valori della pressione massima p3 e della temperatura massima T3 raggiunti
durante il ciclo aumentano all'aumentare del rapporto e / t e del rapporto
di compressione c. Quest'ultimo non può assumere valori superiori a 22 per
l'ovvia ragione di limitare le sollecitazioni meccaniche e termiche degli
organi del motore.
La pressione media del ciclo Sabathè aumenta al crescere della pressione
iniziale p1, del rapporto di compressione c e del valore dell'esponente k,
ed aumenta tanto maggiormente quanto più grande è il rapporto e / t a parità
di calore q1 complessivamente introdotto.
D) Il ciclo Dadeejay è invece caratteristico dei motori Diesel di normali
dimensioni ma ESTREMAMENTE
LENTI......................;PPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPP
PPPP
I tre cicli precedenti possono essere paragonati a parità di rapporto di
compressione e di calore fornito. Poichè nel ciclo Otto il calore è fornito
a volume costante, i massimi valori della pressione e della temperatura
risultano più elevati che negli altri due cicli.
Il calore restituito risulta minimo per il ciclo Otto e massimo per il ciclo
Diesel, mentre il calore fornito è il medesimo per tutti i cicli.
Pertanto, come già annunciato, a parità di rapporto di compressione è il
ciclo Otto quello che presenta il maggior valore del rendimento termico,
cioè è il ciclo che utilizza meglio il calore fornito.
Invece in un confronto tra i tre cicli ideali a parità di pressione massima
e di calore fornito, è il ciclo Diesel quello che restituisce la minore
quantità di calore. Il calore restituito è invece massimo per il ciclo Otto.
Infatti, a parità di pressione massima, il ciclo Diesel è quello che può
disporre del più elevato valore del rapporto di compressione, che risulta in
pratica il mezzo più efficace per aumentare il rendimento termico di un
ciclo. Poichè in effetti i motori Diesel possono raggiungere valori del
rapporto di compressione pressochè doppi rispetto a quelli dei motori a
ciclo Otto, essi presentano in pratica un rendimento termico superiore
 :-\\\\\ ).
=============== FINE PRIMA PARTE =================
Per evitare di intasare il ng con un post da 34000k e per concedermi un
efficace cool-down della tastiera e delle mani,  per oggi mi fermo qui e
scriverò la seconda parte domani, sperando per la vostra salute mentale che
venga più corta di questa. :PPP
--
CiaoO da Cierreics (made in VanMar)
Honda CRX "Arabian Prototype" driver & lover (CA, 21, 131)
"The Gods made Heavy Metal, and its never gonna die!!"
---> Togli l'ANTI JODY per rispondere in mail!! ;-)) <---

Veramente interessante.....
Volevo porre l'attenzione sul fatto che in certe condizioni anche le
auto a benza si comportano da diesel :)  :
Ricordo infatti che a motore molto caldo , la mia uno Fire , rimaneva
in moto anche girando su OFF la chiave di accensione e quindi
togliendo scintilla alle candele. Questo succedeva se tenevo il gas
aperto e giravo la chiave (ovviamente con il cambio in folle).
In pratica la miscela si autoaccendeva e manteneva in moto il motore
ad un regime prossimo al minimo....

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