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Ciclo Atkinson, ciclo Miller e motore HCCI

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    00 03/03/2016 20:36
    Nuove tecnologie motoristiche
    Ciclo Atkinson, ciclo Miller e motore HCCI

    Ciclo Atkinson, ciclo Miller e motore HCCI



    Ciclo Atkinson, ciclo Miller e motore HCCI – Normalmente i motori a ciclo Otto e a ciclo Diesel sono caratterizzati
    dall’avere il rapporto di compressione e quello di espansione identici. Questa scelta progettuale consente
    da un lato di massimizzare il riempimento sfruttando al meglio il volume disponibile,
    ma dall’altro risulta meno efficiente sotto l’aspetto termodinamico rispetto alla scelta di adottare
    un rapporto di espansione superiore a quello di compressione. 
    La sempre maggiore necessità di migliorare l’efficienza dei moderni motori a ciclo Otto e ciclo Diesel ha portato
    i progettisti a optare per due particolari cicli denominati ciclo Atkinson e ciclo Miller.
    Entrambi i cicli puntano ad ottenere un rapporto di espansione superiore a quello di compressione,
    ma per farlo utilizzano strade leggermente diverse.

    Atkinson, Miller, HCCI

    Motore a Ciclo Atkinson: il motore a ciclo Atkinson è stato ideato da James Atkinson nel 1882 ed in tale motore si utilizza un particolare manovellismo che permette di ottenere un rapporto di espansione maggiore rispetto a quello di compressione. Grazie a tale particolare manovellismo che svincola la corsa di espansione da quella di compressione si riesce ad ottenere un efficienza maggiore a scapito di una leggera diminuzione di potenza. E’ come se in un normale motore a quattro tempi noi lasciassimo la valvola di aspirazione aperta per un tempo maggiore rispetto al necessario così da permettere un reflusso dei gas attraverso il condotto di aspirazione. Infatti, riducendosi in questo modo il rapporto di compressione efficace ed il volume della camera di combustione ma aumentando la fase stessa di aspirazione, il rapporto di espansione cresce fino a superare quello di compressione. Siccome poi in un motore a ciclo Otto il rapporto di compressione è limitato dal numero di ottano del carburante immesso (cioè dal suo potere antidetonante) allora il rapporto di espansione riesce a sviluppare una fase attiva più lunga con un grosso vantaggio dal punto di vista termodinamico poiché viene ridotto buona parte del calore disperso allo scarico.

    Atkinson, Miller, HCCI

    Grazie a questo minore calore disperso allo scarico, il rendimento di un motore a ciclo Atkinson risulta maggiore del rendimento di un equivalente ciclo Otto. A farne le spese però è la potenza che risulta decurtata di un quota pari alla differenza tra il rapporto di compressione e quello di espansione che oltretutto equivale alla minore carica presente nel cilindro al momento della combustione. Gli unici aspetti negativi sono la minore potenza immediata, che molto spesso viene sopperita dall’utilizzo di motori elettrici in simbiosi con lo stesso motore termico (come accade nelle soluzioni ibride), e la minore pressione dei gas di scarico alla fine della fase di espansione, il che si traduce in una energia residua contenuta nei gas di scarico forse fin troppo bassa da non poter essere utilizzata per una successiva sovralimentazione mediante turbocompressore. Per ovviare a quest’ultimo problema viene di solito utilizzata una sovralimentazione volumetrica.

    [Modificato da Etrusco 03/03/2016 20:37]
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    Motore a Ciclo Miller: il motore ideato da Ralph Miller adotta una soluzione un attimo più semplice e nota ai più. Al posto del particolare imbiellaggio utilizzato dal ciclo Atkinson, utilizza un normalissimo motore a ciclo Otto a cui è stato applicato un sistema di fasatura variabile in aspirazione. Il principio di base è sempre lo stesso. Ottenere una fase di compressione minore rispetto a quella di espansione così da migliorare l’efficienza stessa del motore grazie alla maggiore energia estratta dalla combustione sottoforma di pressione. Per fare questo la valvola di aspirazione viene chiusa o molto in ritardo o molto in anticipo rispetto alla situazione classica così, nel primo caso, si riesce a far uscire una parte della carica entrata nel cilindro mentre, nel secondo caso, si riesce ad impedire che una parte della carica entri nel cilindro. Esattamente come nel ciclo Atkinson il rapporto di espansione, che è rimasto invariato, risulta ora maggiore del rapporto di compressione modificato tramite la fasatura variabile in aspirazione. A beneficiarne è quindi il rendimento che aumenta ma a spese della potenza che diminuisce poiché a parità di volume in gioco (cioè stessa cilindrata) la quantità di combustibile che entra in un motore a ciclo Miller è minore rispetto a quella che entra in un motore a ciclo Otto o Diesel.


    Atkinson, Miller, HCCI


    Anche in questo caso l’utilizzo della sovralimentazione potrebbe risolvere il problema della minore potenza. Però, essendo minore la pressione dei gas di scarico, si rischia di non ricavare una potenza sufficiente. Si potrebbe allora optare per una sovralimentazione volumetrica dove se da un lato si riesce a recuperare una maggiore potenza persa dall’altro si perde una parte di potenza meccanica generata dal motore intaccando quindi il rendimento. La vera differenza, però, rispetto al motore a ciclo Atkinson è che in questo caso si opera tramite un sistema di fasatura variabile all’aspirazione quindi è possibile far funzionare il motore sia in ciclo Miller che in ciclo tradizionale, lavorando sulla fasatura, senza dover fare i conti con una cinematica alquanto complessa. Entrambi i cicli, sia Atkinson che Miller, vengono spesso associati ai motori elettrici nei sistemi ibridi in quanto in primis sono poco assetati di carburante e in secondo luogo possono ricevere dall’elettrico quella mancanza di potenza trasformata dal ciclo stesso in una maggiore efficienza.


    Motore HCCI: il miglioramento dell’efficienza, la riduzione dei consumi e la conseguente riduzione delle emissioni è il fine principale anche delle motorizzazioni che sfruttano il processo di combustione noto come HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) cioè quei motori con accensione della carica a composizione omogenea tramite la compressione. Questi motori sfruttano una carica ben miscelata come nei motori ad accensione comandata; non soffrono di perdite per parzializzazione ai carichi parziali (perdite di pompaggio) con conseguente aumento del rendimento organico come nei motori diesel; possono operare ad alti rapporti di compressione con aumento del rendimento termodinamico come i motori diesel. Ciò che li contraddistingue dai motori ad accensione comandata (Otto) e dai motori ad accensione per compressione (Diesel) è che la combustione avviene simultaneamente in tutta la carica, invece, che attraverso un fronte di fiamma con un conseguente rapido aumento della pressione interna e senza presentare una combustione di tipo diffusivo come avviene nei motori diesel.


    Atkinson, Miller, HCCI


    Quindi affinché si possa avere tale processo di combustione, è necessario che combustibile e comburente siano al contempo ben miscelati e compressi in modo tale che la carica, omogenea, possa autoaccendersi in tutti i punti della camera di combustione al raggiungimento delle dovute condizioni di pressione e temperatura. Uno degli aspetti negativi di questi motori è che posso essere utilizzati quasi esclusivamente ai carichi parziali dove possono operare con miscele molto magre perché ai carichi elevati il rapido incremento di pressione può causare oscillazioni simili al battito in testa. Oltre alle problematiche relative alle sollecitazioni, i motori HCCI sono caratterizzati da una certa difficoltà nel controllare la combustione, fattore che rende difficile una corretta gestione del motore. Per ovviare a questi aspetti negativi la combustione HCCI viene impiegata in una versione “ibrida”, ovvero impiegando un motore operante in HCCI ai bassi carichi e capace di cambiare il funzionamento in accensione per scintilla al superamento di un certo carico. Per ottenere questo effetto il motore viene dotato di un rapporto di compressione variabile in modo da adeguarsi alle diverse esigenze.


    Atkinson, Miller, HCCI


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    Non condivido le tue idee, ma darei la vita per vederti sperculeggiare quando le esporrai.