Cicli dei motori a combustione interna alternativi

Il Ciclo Diesel Teorico e le Sue Fasi

Nell'ambito dei motori a combustione interna alternativi, è cruciale comprendere le tre fasi che ne descrivono il funzionamento: il ciclo teorico, il ciclo limite e il ciclo reale. Il ciclo teorico è una rappresentazione ideale che serve a illustrare i principi termodinamici fondamentali. In questa fase, si considera un sistema chiuso con un gas perfetto e trasformazioni reversibili. Il calore di combustione viene scambiato con l'esterno attraverso le pareti, anziché essere liberato all'interno del motore. Il ciclo limite, invece, assume un sistema aperto con un fluido che si rinnova ad ogni ciclo e reazioni di combustione complete e istantanee, mantenendo l'ipotesi di un motore ideale dal punto di vista meccanico. Il ciclo reale introduce fattori sperimentali e rendimenti per descrivere il comportamento effettivo del motore, correggendo le idealizzazioni del ciclo limite.

Fasi e Trasformazioni del Ciclo Diesel Teorico

Il ciclo Diesel teorico si articola in quattro trasformazioni principali: due adiabatiche (compressione ed espansione), un'isobara (assunzione di calore) e un'isocora (raffreddamento). La compressione adiabatica (1-2) incrementa la pressione e la temperatura del gas perfetto. Durante la fase isobara (2-3), che simula la combustione, il volume e la temperatura aumentano. L'espansione adiabatica (3-4) produce la maggior parte del lavoro meccanico, con una riduzione di pressione e temperatura. Il raffreddamento isocoro (4-1) riporta il gas alle condizioni iniziali, rappresentando il rilascio del calore residuo. Il lavoro teorico prodotto per unità di massa del fluido operante è rappresentato dall'area del ciclo nel diagramma pressione-volume (p-V).

Parametri e Rendimento del Ciclo Diesel

I parametri distintivi del ciclo Diesel includono il rapporto di compressione volumetrico e il rapporto di combustione isobaro. Il rendimento teorico del ciclo Diesel è calcolabile attraverso le temperature ai vertici del ciclo, che sono funzione della temperatura iniziale T1. Il rendimento del ciclo Diesel è generalmente inferiore a quello del ciclo Otto a causa dell'effetto termico della combustione isobara. Tuttavia, il ciclo Diesel può ottenere un rendimento superiore se operato con un rapporto di compressione più elevato, condizione che nei motori reali consente di sfruttare meglio l'energia termica.

Il Confronto tra i Cicli Diesel e Otto

Confrontando i cicli Diesel e Otto, mantenendo costante lo stato iniziale e il calore fornito, si osserva che il ciclo Otto ha un rendimento teorico superiore a causa di una minore quantità di calore ceduto all'esterno. Tuttavia, nei motori reali, il ciclo Otto non può operare con rapporti di compressione troppo elevati per evitare il fenomeno del battito in testa. Il ciclo Diesel, che utilizza combustibili più pesanti e sfrutta una compressione più intensa, può raggiungere rendimenti superiori grazie alla sua capacità di operare con rapporti di compressione più alti.

Il Ciclo Sabathé come Modello Teorico per Motori Diesel

Il ciclo Sabathé, che combina due trasformazioni adiabatiche, due isocore e un'isobara, è un modello teorico più aderente alla realtà dei motori diesel. In un motore reale, una parte del combustibile brucia in modo brusco (isocora) e il resto brucia progressivamente (isobara). Il ciclo Sabathé si avvicina al ciclo Otto o Diesel a seconda di come viene distribuito il calore primario. Questo modello teorico riflette meglio il processo di combustione nei motori diesel, dove questa avviene durante l'inizio dell'espansione e con un elevato rapporto aria/combustibile, condizioni che hanno spinto l'evoluzione dei motori diesel verso l'efficienza del ciclo di Carnot.