efficienza termica dei motori a benzina a ciclo Atkinson superiore ai Diesel?

[eta*beta]

cerrrto, rendimenti superiori a 1, per info citofonare a the frog...

 

[modus72]

Quindi se ho ben capito l'efficienza termica dei motori a combustione ha ancora possibilità di miglioramento anche sostanziale ancorché occorre risolvere problemi collaterali come qualità dei gas di scarico, design e potenza dissipata per i servizi ausiliari che alla fine possono incidere notevolmente sui consumi per kWh prodotto.

Io da riminiscenze scolastiche mi aspettavo che l'efficienza termica era al di sotto del 35% mentre mi sembra di aver capito che i nuovi motori Diesel abbiamo superato il 40% e mi chiedo quale potrebbe essere il limite in un prossimo futuro?

Beh, diciamo che negli ultimi 20 anni l'evoluzione dei motori a scoppio ha mostrato risultati notevolissimi sotto l'aspetto della riduzione degli inquinanti, molto meno sulle coppie e potenze specifiche. Il 1.2 otto valvole della nostra Alfasud aveva 63cv, non molto dissimili dai 69 cv dell'attuale 1.2 Fire euro6... solo che nel 1972 l'alfasud inquinava come decine di 500 attuali, pur pesando di meno.
In futuro sì, ci saranno evoluzioni anche sul rendimento e sull'efficienza dei motori, senza però aspettarsi miracoli.

 

[Bellafrance]

Ciao a tutti,
mi inserisco anch'io nella discussione. Teoricamente riguardo al rendimento volumetrico del diesel e atkinson/miler da letteratura i valori sono vicini.
Nell'uso pratico il motore ad accensione per compressione a bassi carichi costanti riesce a funzionare con miscele aria/gasolio ultra magre e da qui il suo vantaggio sui consumi. Vantagio però che si paga con emissioni che non vanno d'accordo con le euro 5 e 6 a meno di non inserire complessi sistemi di post trattamento allo scarico.
Mazda sugli skiactiv-d ha risolto abbassando il RC (14:1) cosa che ha permesso di avvicinare l'iniezione di combstibie al PMS (normalmente l'iniezione avviene dopo il PMS per ridurre gli NOx).
questo comporta più lavoro nella fase utile di espansione ovvero maggior rendimento.
Inoltre la minor compressione comporta minor stress meccanico che ha permesso di ridurre le masse degli organi interni ottimizzando gli atriti.
La riduzione dell'RC prota però problemi di avviamento a freddo che hanno risolto con iniettori ad hoc e fenomeni di misfire risolti con un sistema di fasatura variabile (scarico).
I risultati nelle prove su strada ci sono ed è euro 6 senza bisogno di post trattamento per gli NOx (SCR).

Ci sono tanti studi (e prototipi marcianti) che porteranno ulteriori interessanti sviluppi. Dalle combustioni premiscelate a bassa temperatura (LTC) ai motori ad accensione di una carica omogenea (HCCI) avvicinando il funzionamento dei motori per compressione a quelli ad accensione comandata. Un po' lungo da spiegare qui ma l'idea è prendere i vantaggi di entrambi i sistemi senza i difetti. Ovviamente non è così semplice..
Ciao

 

[renexx]

Ciao a tutti,
mi inserisco anch'io nella discussione. Teoricamente riguardo al rendimento volumetrico del diesel e atkinson/miler da letteratura i valori sono vicini.
Nell'uso pratico il motore ad accensione per compressione a bassi carichi costanti riesce a funzionare con miscele aria/gasolio ultra magre e da qui il suo vantaggio sui consumi. Vantagio però che si paga con emissioni che non vanno d'accordo con le euro 5 e 6 a meno di non inserire complessi sistemi di post trattamento allo scarico.
Mazda sugli skiactiv-d ha risolto abbassando il RC (14:1) cosa che ha permesso di avvicinare l'iniezione di combstibie al PMS (normalmente l'iniezione avviene dopo il PMS per ridurre gli NOx).
questo comporta più lavoro nella fase utile di espansione ovvero maggior rendimento.
Inoltre la minor compressione comporta minor stress meccanico che ha permesso di ridurre le masse degli organi interni ottimizzando gli atriti.
La riduzione dell'RC prota però problemi di avviamento a freddo che hanno risolto con iniettori ad hoc e fenomeni di misfire risolti con un sistema di fasatura variabile (scarico).
I risultati nelle prove su strada ci sono ed è euro 6 senza bisogno di post trattamento per gli NOx (SCR).

Ci sono tanti studi (e prototipi marcianti) che porteranno ulteriori interessanti sviluppi. Dalle combustioni premiscelate a bassa temperatura (LTC) ai motori ad accensione di una carica omogenea (HCCI) avvicinando il funzionamento dei motori per compressione a quelli ad accensione comandata. Un po' lungo da spiegare qui ma l'idea è prendere i vantaggi di entrambi i sistemi senza i difetti. Ovviamente non è così semplice..
Ciao

Interessante :thumbup:

 

[bgp5546]

Ringrazio anche Bellafrance a cui vanno i complimenti per le chiara esposizione.

un dettaglio mi sfugge senz'altro per mia ignoranza quando parli di rendimento volumetrico dei due motori molto simile equivale a dire che hanno efficienza termica molto simili?

Posso approfittare chiedendo quali sono gli ulteriori vantaggi comparati tra i motori a accensione comandata (mi sembra sostanzialmente minor inquinamento) e quelli ad accensione per compressione (migliore efficienza termica) ?

 

[Bellafrance]

Ringrazio anche Bellafrance a cui vanno i complimenti per le chiara esposizione.

un dettaglio mi sfugge senz'altro per mia ignoranza quando parli di rendimento volumetrico dei due motori molto simile equivale a dire che hanno efficienza termica molto simili?

Posso approfittare chiedendo quali sono gli ulteriori vantaggi comparati tra i motori a accensione comandata (mi sembra sostanzialmente minor inquinamento) e quelli ad accensione per compressione (migliore efficienza termica) ?

All'inzio del post si parlava di rendimento senza specificare di cosa si parlasse, termico, meccanico, volumetrico e non ho resistito a puntualizzare.
Praticamente i motori ad accensione per compresione hanno il vantaggio di poter funzionare con miscele aria/combustibile ultra magre a bassi carichi e costanti che portano a rendimenti complessivi inarrivabili (in queste condizioni) dai motori ad accensione comandata.
Però emettono inquinanti PM (soot) e NOx che richiedono post trattamenti sempre più compessi e costosi. Con l'euro 6 diventa quasi d'obbligo una riduzione selettiva catalitica (SCR) ovvero un bel catalizzatore che richiede addittivo (urea) per limitare gli NOx. Poi ci sono gli altri inquinanti ed aumenta la complessità ed i costi rispetto ad un euro 5.
La mazda è riuscita ad eliminare la necessità di un post trattamento di questo tipo implementando le modifiche di cui ho scritto sopra.

Ci sono prototipi funzionanti di motori ad accensione comandata che cercano di prendere il vantaggio (rendimento) del cugino a compressione. Sono gli HCCI che in estrema semplificazione cercano di
aggiungere al motore Diesel il principale vantaggio del motore Otto: essere alimentato con una miscela aria/combustibile omogenea
(per omogenea si intende che tale miscela presenta lo stesso valore di rapporto sia localmente che globalmente all?interno del cilindro), in modo da evitare la produzione di particolato e ridurre sensibilmente quella di ossidi di azoto (NOx).
In sostanza la miscela intrappolata è omogenea, come nel caso di un motore ad accensione comandata tradizionale, ma non è necessariamente stechiometrica, anzi lo scopo è arrivare a valori di magro vicini ai motori per compressione.
Ad oggi gli HCCI sono realizzabili ma solo in alcune condizioni di funzionamento (carico, temperatura, ecc.) nelle altre funzionano con la più tradizionale accensione comandata.

Nel caso del Diesel tradizionale il combustibile invece viene scaldato fino alla temperatura di fiamma prima di essere diluito. Da qui la formazione di particolato. Successivamente, quando i vapori di combustibile vengono diluiti con aria la temperatura localmente ha raggiunto valori così elevati da portare ad un?abbondante produzione di NOx.

I motori ad accensione comandata tradizionali invece non riescono ad allontanarsi tanto dal rapporto stechiometrico altrimenti la miscela non si accende. Sono migliorati grazie alle iniezioni dirette che permettono di stratificare la carica da accendere (sempre a bassi carichi e costanti).

Ciao

 

[Bellafrance]

Ringrazio anche Bellafrance a cui vanno i complimenti per le chiara esposizione.

un dettaglio mi sfugge senz'altro per mia ignoranza quando parli di rendimento volumetrico dei due motori molto simile equivale a dire che hanno efficienza termica molto simili?

Posso approfittare chiedendo quali sono gli ulteriori vantaggi comparati tra i motori a accensione comandata (mi sembra sostanzialmente minor inquinamento) e quelli ad accensione per compressione (migliore efficienza termica) ?

All'inzio del post si parlava di rendimento senza specificare di cosa si parlasse, termico, meccanico, volumetrico e non ho resistito a puntualizzare.
Praticamente i motori ad accensione per compresione hanno il vantaggio di poter funzionare con miscele aria/combustibile ultra magre a bassi carichi e costanti che portano a rendimenti complessivi inarrivabili (in queste condizioni) dai motori ad accensione comandata.
Però emettono inquinanti PM (soot) e NOx che richiedono post trattamenti sempre più compessi e costosi. Con l'euro 6 diventa quasi d'obbligo una riduzione selettiva catalitica (SCR) ovvero un bel catalizzatore che richiede addittivo (urea) per limitare gli NOx. Poi ci sono gli altri inquinanti ed aumenta la complessità ed i costi rispetto ad un euro 5.
La mazda è riuscita ad eliminare la necessità di un post trattamento di questo tipo implementando le modifiche di cui ho scritto sopra.

Ci sono prototipi funzionanti di motori ad accensione comandata che cercano di prendere il vantaggio (rendimento) del cugino a compressione. Sono gli HCCI che in estrema semplificazione cercano di
aggiungere al motore Diesel il principale vantaggio del motore Otto: essere alimentato con una miscela aria/combustibile omogenea
(per omogenea si intende che tale miscela presenta lo stesso valore di rapporto sia localmente che globalmente all?interno del cilindro), in modo da evitare la produzione di particolato e ridurre sensibilmente quella di ossidi di azoto (NOx).
In sostanza la miscela intrappolata è omogenea, come nel caso di un motore ad accensione comandata tradizionale, ma non è necessariamente stechiometrica, anzi lo scopo è arrivare a valori di magro vicini ai motori per compressione.
Ad oggi gli HCCI sono realizzabili ma solo in alcune condizioni di funzionamento (carico, temperatura, ecc.) nelle altre funzionano con la più tradizionale accensione comandata.

Nel caso del Diesel tradizionale il combustibile invece viene scaldato fino alla temperatura di fiamma prima di essere diluito. Da qui la formazione di particolato. Successivamente, quando i vapori di combustibile vengono diluiti con aria la temperatura localmente ha raggiunto valori così elevati da portare ad un?abbondante produzione di NOx.

I motori ad accensione comandata tradizionali invece non riescono ad allontanarsi tanto dal rapporto stechiometrico altrimenti la miscela non si accende. Sono migliorati grazie alle iniezioni dirette che permettono di stratificare la carica da accendere (sempre a bassi carichi e costanti).

Aggiungo un'ultima cosiderazione sul rendimento inteso come rapporto tra lavoro ed energia. I motori delle auto sportive (ad. es. porsche) hanno i maggiori rendimenti sul mercato. Non vuol dire che consumano poco ma che sfruttano al meglio l'energia contenuta nel combustibile per produrre lavoro. Infatti un motore porsche da oltre 400 cv che fa 10km/l ha un rendimento globale maggiore di un TSI VW ma... non consuma meno
Ciao

 

[modus72]

Nel caso del Diesel tradizionale il combustibile invece viene scaldato fino alla temperatura di fiamma prima di essere diluito. Da qui la formazione di particolato. Successivamente, quando i vapori di combustibile vengono diluiti con aria la temperatura localmente ha raggiunto valori così elevati da portare ad un?abbondante produzione di NOx.

Sì e no...
Il gasolio vaporizza e si diluisce in gran parte, ma una parte consistente comincia a bruciare in fase liquida e da lì nasce il particolato.
La cosa investe pure i ciclo Otto, non tutta la benzina riesce a vaporizzare prima dell'arrivo del fronte di fiamma ed è per questo che anche i ciclo Otto ad iniezione indiretta producono particolato, pur in misura nettamente inferiore.

 

[Bellafrance]

Lo sviluppo e le caratteristiche dello spray nei motori ad accensione per compressione è un argomento un po' complicato da sviluppare qui.
Comunque i common rail da anni fanno almeno 5 iniezioni a ciclo e la combustione inizia già dall'iniezione pilota. Segue una pre-iniezione allo scopo di modulare proprio l'andamento della combustione poi la iniezione main, l'iniezione after e la post iniezione. Quindi il gasolio vaporizzato non lo considererei come la gran parte.

La combustione HCCI invece si propone di raggiugere le condizioni di autoaccensione nello stesso istante in un elevato numero di punti all?interno della camera di combustione per creare una reazione caratterizzata dalla partecipazione contemporanea di tutta la carica. Quindi di tipo massico-esplosivo e non diffusivo.

 

[modus72]

Lo sviluppo e le caratteristiche dello spray nei motori ad accensione per compressione è un argomento un po' complicato da sviluppare qui.
Comunque i common rail da anni fanno almeno 5 iniezioni a ciclo e la combustione inizia già dall'iniezione pilota. Segue una pre-iniezione allo scopo di modulare proprio l'andamento della combustione poi la iniezione main, l'iniezione after e la post iniezione. Quindi il gasolio vaporizzato non lo considererei come la gran parte.

Pag 5.
http://www.uniroma2.it/didattica/Motori/deposito/dispense_trap21.pdf

 

[japjap]

Tanto l'importante è quello che arriva alla ruota, quindi la bontà di un certo motore in fatto di efficienza può perdersi banalmente per strada ( ba dum tssh).

Ecco perchè un atkinson con un cambio all'osso potrebbe calpestare un diesel con carburante di quarta categoria ed un cambio non così buono, ovviamente bisognerebbe parlare con dati alla mano, però ragionandoci un poco, i diesel non risultano così buoni o addirittura quasi miracolosi come carte e puristi vogliono far intendere, troppe imposizioni e troppe varianti per poterlo decretare anche migliore di un comune aspirato a ciclo otto. ( per la serie, la partita è ancora aperta, dipende tutto dai giocatori che si vogliono far scendere in campo e non dal nome della squadra)

 

[bgp5546]

Verissimo che i consumi di un veicolo dipendono poi da una serie di ulteriori fattori che non sto ad elencare sia di elementi della macchina e sia dal comportamento del conduttore oltre che della strada.

pero mi chiedevo in termini solo di efficienza termica (ossia di trasformare il calore in energia meccanica) quali sono i valori sperimentalmente ottenuti
per il n uovo motore a ciclo Atkinson Toyota da il 38,5 % che da riminiscenze scolastiche mi sembrava elevato
Per i motori Diesel in commercio che valori si sono ottenuti?
Ci sono studi che conducono ad un miglioramento di questa efficienza termica?

Forse sarebbe per un altro post: il recupero di energia in frenata che efficienza gli si può attribuire?