Per muovere un aereo nell’aria, la spinta è generata da un qualche tipo di sistema di propulsione.Oggi, la maggior parte degli aerei dell’aviazione generale o privata sono alimentati da motori a combustione interna (IC), molto simile al motore della vostra automobile di famiglia.Quando si parla di motori, dobbiamo considerare sia il funzionamento meccanico della macchina che i processi termodinamici che permettono alla macchina di produrre lavoro utile.In questa pagina consideriamo la termodinamica di un motore a quattro tempi a CIC.
Per capire come funziona un sistema di propulsione, dobbiamo studiare la termodinamica di base dei gas.I gas hanno varie proprietà che possiamo osservare con i nostri sensi, compresa la pressione del gas p, la temperatura T, la massa e il volume V che contiene il gas.Un processo termodinamico, come il riscaldamento o la compressione del gas, cambia i valori delle variabili di stato in un modo che è descritto dalle leggi della termodinamica. Il lavoro fatto da un gas e il calore trasferito a un gas dipendono dagli stati iniziale e finale del gas e dal processo usato per cambiare lo stato. è possibile eseguire una serie di processi, in cui lo stato viene cambiato durante ogni processo, ma il gas alla fine ritorna al suo stato originale. Una tale serie di processi è chiamata ciclo e costituisce la base per la comprensione del funzionamento del motore.
In questa pagina discutiamo il ciclo termodinamico Otto che è usato in tutti i motori a combustione interna.La figura mostra un diagramma a V del ciclo Otto. Usando il sistema di numerazione degli stadi del motore, cominciamo in basso a sinistra con lo stadio 1 che è l’inizio della corsa di aspirazione del motore. La pressione è vicina alla pressione atmosferica e il volume del gas è al minimo. tra la fase 1 e la fase 2 il pistone viene tirato fuori dal cilindro con la valvola di aspirazione aperta. la pressione rimane costante, e il volume del gas aumenta quando la miscela di aria e carburante viene aspirata nel cilindro attraverso la valvola di aspirazione. la fase 2 inizia la corsa di compressione del motore con la chiusura della valvola di aspirazione. Tra la fase 2 e la fase 3, il pistone si muove indietro nel cilindro, il volume del gas diminuisce e la pressione aumenta perché il pistone fa un lavoro sul gas. La fase 3 è l’inizio della combustione della miscela carburante/aria. La combustione avviene molto rapidamente e il volume rimane costante.Il calore viene rilasciato durante la combustione che aumenta sia la temperatura che la pressione, secondo la equazione di stato.La fase 4 inizia la corsa di potenza del motore.Tra la fase 4 e la fase 5, il pistone viene spinto verso l’albero motore, il volume aumenta e la pressione scende perché il gas viene lavorato dal pistone. Nella fase 5 la valvola di scarico viene aperta e il calore residuo nel gas viene scambiato con l’ambiente circostante. Il volume rimane costante e la pressione torna alle condizioni atmosferiche.Fase 6 inizia la corsa di scarico del motore durante la quale il pistone torna nel cilindro, il volume diminuisce e la pressione rimane costante. Alla fine della corsa di scarico, le condizioni sono tornate alla fase 1 e il processo si ripete.
Durante il ciclo, il lavoro viene fatto sul gas dal pistone tra le fasi 2 e 3. Il lavoro è fatto dal gas sul pistone tra le fasi 4 e 5. La differenza tra il lavoro fatto dal gas e il lavoro fatto sul gas è l’area racchiusa dalla curva del ciclo ed è il lavoro prodotto dal ciclo. Il lavoro per la velocità del ciclo (cicli al secondo) è uguale alla potenza prodotta dal motore.
L’area racchiusa dal ciclo su un diagramma p-V è proporzionale al lavoro prodotto dal ciclo. In questa pagina abbiamo mostrato un ciclo Otto ideale in cui non c’è calore che entra (o esce) dal gas durante le corse di compressione e di potenza, non ci sono perdite di attrito e la combustione istantanea avviene a volume costante. In realtà, il ciclo ideale non si verifica e ci sono molte perdite associate ad ogni processo. Queste perdite sono normalmente rappresentate da fattori di efficienza che moltiplicano e modificano il risultato ideale. Per un ciclo reale, la forma del diagramma p-V è simile a quella ideale, ma l’area (lavoro) è sempre inferiore al valore ideale.
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