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Il Petrolio: l’Oro Nero

Dicembre 28, 2018 Commenti (0) Ingegneria Energetica, Ingegneria Meccanica Tempo di Lettura:

Il ciclo otto

Il ciclo Otto, o più correttamente ciclo Beau de Rochas, è un ciclo termodinamico impiegato nei motori alternativi a combustione interna. In genere i motori a benzina sfruttano questo ciclo. La proprietà fisica alla base di questo ciclo è l’espansione dovuta alle elevate temperature raggiunte durante la combustione della benzina. Possiamo schematizzare il motore come un cilindro nel quale è libero di scorrere un pistone al quale è collegato un sistema detto a biella manovella che traduce il movimento del pistone in rotazione dell’albero motore.Il cilindro comunica con l’esterno attraverso due valvole una di mandata e una di aspirazione, dove scorre rispettivamente la C02 derivante dalla combustione e una miscela di aria e benzina. Il ciclo è anche detto a 4 tempi poiché possiamo schematizzare il suo funzionamento individuando 4 passaggi chiave.

  • primo tempo (aspirazione): il motore si avvia aprendo la valvola di aspirazione dalla quale entra una miscela di aria e benzina (molta più aria rispetto alla benzina), il pistone passa dal punto morto superiore (P.M.S.) al punto morto inferiore (P.M.I.). Il cilindro è dunque pieno della miscela aria benzina, la miscela occupa tutto il volume disponibile.
  • secondo tempo (compressione): la miscela viene compressa con il pistone e viene innescata generando uno scoppio (non a caso è anche chiamato motore a scoppio). Pistone dal PMI al PMS
  • terzo tempo (espansione): la miscela aumenta vertiginosamente la propria temperatura e si espande velocemente all’interno del cilindro. Il pistone passa dal PMS al PMI.
  • quarto tempo (scarico): viene aperta la valvola di mandata dalla quale escono i gas generati in seguito alla combustione (per lo più CO2) la differenza di pressione fa alzare nuovamente il pistone che torna al PMS dal quale poi ricomincia il ciclo.

la fase utile del ciclo, ovvero la parte in cui io effettivamente ottengo un “guadagno” in termini energetici, è la fase di espansione del gas.

Curiosità

Il nome del “Ciclo Otto” deriva dal nome dell’ingegnere tedesco Nikolaus August Otto che realizzò il primo motore a quattro tempi effettivamente funzionante nel 1876; occorre aggiungere che studi su un motore a quattro tempi erano già stati effettuati, e i risultati brevettati nel 1862, dall’inventore francese Alphonse Beau de Rochas, il quale aveva aggiunto la fase di compressione al primo motore di Barsanti e Matteucci.

Il ciclo ideale

Per essere studiato e compreso al meglio in prima battuta adotteremo delle approssimazioni e andremo a visualizzare sul piano di Clapeyron le trasformazioni termodinamiche che avvengono durante tutto il ciclo.

Nel piano (p-V), che mette in relazione p (pressione) e V (volume), il ciclo Otto ideale si può rappresentare con:

  • una aspirazione a pressione ambiente dal P.M.S. (Punto morto superiore) al P.M.I. (Punto morto inferiore) (A-B);
  • una compressione adiabatica da P.M.I. a P.M.S. (B-C);
  • una combustione che si innesca con la scintilla della candela (C-D);
  • una espansione adiabatica da P.M.S. a P.M.I. (D-E);
  • uno scarico libero iniziale a volume costante (E-B);
  • uno scarico forzato a pressione costante che riporta il ciclo alla posizione di partenza (B-A).

 

Termodinamica del ciclo

Facendo riferimento alla figura del ciclo, adottando come ipotesi di lavorare con un gas perfetto ,allora il lavoro netto è :

 

 

Cv è il calore molare a volume costante.

Quindi il rendimento del ciclo:

 

 

 

Ma dalle due trasformazioni adiabatiche reversibili, si ha:

 

 

 

dove γ=Cp/Cv

Dividendo membro a membro:

 

 

 

Il rendimento assume la forma:

 

 

 

 

Indicando con r il rapporto di Va/Vb, detto rapporto volumetrico di compressione, si ha infine:

 

 

 

In un motore a benzina reale, r non può essere inferiore a circa 1/10 (sui motori in genere i valori sono 14:1, se il rendimento volumetrico è inferiore a uno, l’aumento di temperatura dovuto alla compressione della miscela di benzina e aria è tale da provocare la combustione prima dello scoccare della scintilla (preaccensione). Tutti gli effetti di disturbo presenti in un motore a benzina reale, come le accelerazioni, gli attriti, i moti turbolenti, abbassano il rendimento molto al di sotto di quello di un  “Otto” a gas ideale, portandolo a circa 0,2 (20%).

Ciclo reale

Nella realtà le trasformazioni che si ottengono sono diverse da quelle ipotizzate in precedenza perché l’aspirazione 0-1 avviene in depressione a causa delle perdite che si generano nel condotto di aspirazione. (perdite dovute all’attrito da i componenti meccanici e l’attrito tra fluido e pareti del cilindoro).
La trasformazione 1-2 non è adiabatica ma è una politropica in quanto il cilindro scambia calore con l’esterno.
La fase di combustione non è istantanea perché la miscela ha bisogno di un certo tempo per bruciare: quindi la fase 2-3 non è a volume costante perché durante il tempo impiegato dalla miscela per bruciare il pistone si è mosso.
L’espansione 3-4 non avviene secondo una trasformazione adiabatica ma secondo una politropica in quanto si verifica scambio di calore tra il cilindro e l’esterno.
La fase di scarico spontaneo 4-1 non avviene a volume costante perché la valvola di scarico viene aperta prima che il pistone sia giunto al punto morto inferiore; nel tempo impiegato dalla valvola per aprirsi completamente il pistone si è mosso; la trasformazione di scarico forzato non avviene a pressione costante ma si verifica a pressione maggiore di quella atmosferica. Per questi motivi il ciclo reale dei motori a carburazione differisce sensibilmente dal ciclo teorico. Il grafico seguente mostra un ciclo otto reale.

 

Fonti:

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