I motori endotermici

I motori endotermici

Generalità

E' noto dalla termodinamica che il calore può essere trasfor­mato in lavoro e viceversa, secondo la relazione che definisce l'equivalente meccanico del calore:

1 kcal = 4187 J

(o anche: 1 kWh = 860 kcal)

I motori termici sono costituiti da uno o più cilindri (Figura 1), al cui interno un fluido viene fatto riscal­dare e quindi espandere, provocando lo sposta­mento di un pistone e compiendo così un la­voro meccanico. L'energia termica è fornita dalla com­bustione di opportune sostanze combustibili. Nei motori endotermici, che han­no soppiantato i motori esotermici (macchina a vapore), la combu­stione avviene all'interno del cilindro.

Caratteristico di un combustibile è il potere calorifico H_i, ossia la quantità di ca­lore che si sviluppa dalla combustione di 1 kg della sostanza. A seconda del ciclo di funzionamento, si di­stingue tra motori a ciclo Otto (o a scoppio) e motori Diesel. Il motore a ciclo Otto utilizza benzina (H_i 44 MJ/kg; massa specifica = 0,72 ÷ 0,78 kg/l) che viene miscelata con l'aria nel carburatore; la mi­scela, introdotta nel cilindro, viene accesa median­te una scintilla provocata da una candela. Il motore diesel utilizza invece gasolio (H_i 43 MJ/kg; = 0,82-0,86 kg/l), che viene iniettato nel cilindro, accendendosi spontaneamente per effetto dell'alta temperatura e pressione dell'aria aspirata e compressa dal pistone.

Il ciclo di funzionamento dei motori endo­termici si compie in quattro fasi: aspirazione, com­pressione, espansione, scarico (Figura 2). L'accensione del combustibile avviene verso la fine della fase di compressione. Il ciclo si compie in due giri di ma­novella nei mo­tori a quattro tempi, e in un solo giro nei motori a due tempi (di impiego piuttosto limitato).

Rendimento di un motore endotermico

Un motore termico non è mai in grado di tra­sformare tutta l'energia termica in energia mecca­nica, in quanto si hanno perdi­te di vario tipo. In un motore diesel, circa metà delle perdite si verifi­ca attraverso i gas di scarico, che hanno elevata tempe­ratura e contengono sempre una certa frazio­ne di particelle in­combuste. Poiché il motore deve essere raffreddato, per non supe­rare certe tempera­ture e provocare il degrado dei materiali con cui è costruito, altra energia va inoltre persa con l'aria o ac­qua di raffreddamento (Figura 3

Si definisce rendimento termodinamico _i il rapporto:

tra l'energia meccanica prodotta E_i e la quantità di calore prodotta dalla combustione Q . In un diesel, _i = 0,36 ÷ 0,40, in un motore a scoppio _i

Una parte di E_i  viene a sua volta spesa negli attriti fra le parti in movimento del motore, e per l'azionamento di organi accessori (impianto di raf­freddamento, lubrificazione, distribu­zione).

Si definisce rendimento meccanico del mo­tore _m il rap­porto:

dove E_m è l'energia disponibile all'albero motore.

In un mo­tore termico, _m = 0,8 circa.

Il rendimento totale del motore _t è dato al­lora da:

e vale in un diesel circa _t

Generalmente, il rendimento del motore è definito indiretta­mente attraverso il consumo specifico di combustibile (C_s, g/kWh), misurabile in prove al banco in base al rapporto:

dove: C, g/h = consumo orario di combustibile du­rante un certo periodo (t, h) di funzionamento; W_m, kW = potenza meccanica sviluppata dal motore.

Dalla definizione prima data di rendimento totale, si ricava ora:

da cui:

dove k è  una costante che vale k = 3600 (= 3,6 MJ/kWh ·1000 g/kg) se C_s espresso in g/kWh e H_i in MJ/kg.

Ad esempio, un motore diesel con un _t del 35 % ha un C_s pari a 3600/0,35/43 = 239 g/kWh.

Il motore diesel è preferito in agricoltura principalmente per il migliore rendimento. Inoltre, il gasolio costa meno ed è più facile da conservare, perché meno volatile, della benzina. Il motore a scoppio è invece preferito nella motorizzazione privata, tra l'altro, anche per il minore rapporto peso/potenza.

Nella Tabella 1 sono riportati i consumi speci­fici, i rendimen­ti ed il rapporto peso/potenza per alcuni tipi di motore.

Potenza di un motore endotermico

Si può dimostrare che la potenza di un motore endotermico è data da:

dove V è la cilindrata in m , p_me la pressione media effettiva all'interno del pistone in Pa, n il numero di giri in s

L'equazione dice in sostanza che la potenza di un motore può  essere aumentata:

- aumentando la cilindrata (cilindri più grandi, più cilin­dri);

- aumentando la pressione media effettiva (aumento del rap­porto di compressione, migliore riempimento del cilindro, sovra­limentazione);

- aumentando il numero di giri.

Ad esempio, si abbia un motore diesel aspira­to con p_me = 7 bar (= 700.000 Pa), V = 2500 cm (= 0,0025 m ), regime massimo n = 2400 n/min (= 40 s ); la potenza massima sarà W_m = 700.000 · 0,0025 · 40 / 2 = 35.000 W = 35 kW.

Lo stesso motore sovralimentato (p_me = 9 bar = 900.000 Pa) avrà invece potenza massima = 900.000 · 0,0025 · 40 / 2 = 45 kW.

La potenza specifica W_m/V risulta inoltre ri­spettivamente di 35/2,5 = 14 kW/l e 45/2,5 = 18 kW/l.

Nel motore diesel, si può agire invece solo limitatamente sul numero di giri, il cui valore massimo è limitato dal ritardo all'accensione e dal funzionamento della pompa di iniezione, in pratica a circa 2500 giri (nei motori a iniezione diretta).