Efficienza del motore a combustione interna: cosa, come, diversi tipi e fatti

In questo articolo discuteremo dell'argomento - Efficienza del motore a combustione interna. I motori a combustione interna sono comunemente usati nelle locomotive per farli funzionare.

I motori a combustione interna o motori IC utilizzano l'energia termica del combustibile bruciato e la convertono in energia meccanica. La velocità delle locomotive dipende dalla velocità con cui si ripete il ciclo di combustione all'interno del motore. In questo articolo studieremo in dettaglio i motori a combustione interna.

Cos'è il motore a combustione interna?

I motori a combustione interna sono motori termici all'interno dei quali il carburante viene bruciato con l'aiuto di un ossidante. L'energia termica risultante viene convertita in energia meccanica spingendo il pistone nella parte più bassa del cilindro

Il pistone si muove avanti e indietro eseguendo un movimento alternativo. Il movimento alternativo del pistone è diretto all'albero a gomiti. L'albero a gomiti inizia a ruotare per cui anche le ruote girano. Studieremo di più sui motori a combustione interna in dettaglio in ulteriori sezioni di questo articolo.

Come funziona un motore a combustione interna?

I motori interni funzionano convertendo l'energia termica, prodotta dopo la combustione del combustibile in presenza di un ossidante, in energia meccanica. Quando il pistone è al punto morto superiore, il carburante viene bruciato e viene rilasciata una certa quantità di energia termica.

Questa energia spinge il pistone al punto morto inferiore. Il pistone si sposta nuovamente al punto morto superiore per inerzia, questa volta i gas di scarico vengono espulsi dalla valvola di uscita. Il pistone è collegato a una manovella tramite una biella che converte il movimento alternativo del pistone in movimento rotatorio.

Immagine crediti: Cristian Quinzacara, Diagramma pV del ciclo di Carnot, CC BY-SA 4.0

Qual è l'efficienza del motore a combustione interna?

Ora conosciamo il funzionamento dei lavori di motori a combustione interna. Sappiamo che il motore interno può produrre il proprio lavoro.

Ora discuteremo dell'efficienza di un'efficienza interna. È definito come la quantità di lavoro che il motore ha prodotto per l'apporto di calore al motore.  

Matematicamente, l'efficienza è data come-

Efficienza termica del motore a combustione interna

L'efficienza termica del motore a combustione interna è il rapporto tra il calore utile e l'apporto termico totale fornito al sistema.

La fonte di calore fornisce il calore al motore termico e un dissipatore di calore assorbe tutto il calore di scarto dal motore. Il calore utile viene utilizzato come lavoro in uscita dal motore. L'efficienza termica di un motore a combustione interna è data nella sezione riportata di seguito-

Rendimento volumetrico di un motore a combustione interna

Il volume del cilindro è chiamato come il volume spazzato che è il volume massimo di miscela aria-carburante che può essere aspirata.

L'efficienza volumetrica è il rapporto tra la miscela aria-carburante totale prelevata all'interno del cilindro e il volume totale del cilindro o il volume spazzato. Matematicamente, l'efficienza volumetrica di un motore a combustione interna è data nella sezione seguente-

Efficienza complessiva del motore a combustione interna

L'efficienza complessiva di qualsiasi motore termico tiene conto di tutti i tipi di efficienza, vale a dire, efficienza termica, efficienza meccanica, efficienza volumetrica, ecc.

Matematicamente, l'efficienza complessiva del motore a combustione interna è:

Qual è il rendimento meccanico di un motore a combustione interna?

Il rendimento meccanico è l'efficienza con cui i componenti meccanici all'interno della combustione interna lavoro del motore.

I componenti meccanici includono pistone, valvole, cilindro dello spinotto del pistone, ecc. Il motore funziona quando questi componenti meccanici lavorano in armonia tra loro. L'efficienza meccanica è un rapporto tra due cose, sono l'output di lavoro e l'input di lavoro.

Qual è il rendimento massimo del motore a combustione interna?

Diversi motori a combustione interna hanno efficienze diverse. Le efficienze dipendono dall'efficienza meccanica, dal tipo di carburante utilizzato, dal tipo di motore ecc.

I motori a combustione interna più efficienti hanno un'efficienza del 50%, ma i motori ammessi su strada hanno efficienze comprese tra il 20 e il 30%. I motori a combustione non sono efficienti come pensavamo in quanto il tasso di conversione dell'energia è molto basso.

Come calcolare l'efficienza del motore a combustione interna?

Nelle sezioni precedenti abbiamo visto il formula per calcolare l'efficienza di motore a combustione interna. In quelle sezioni non abbiamo discusso su come trovare le quantità utilizzate in quella formula.

Il lavoro svolto è definito come il calore utile netto prelevato dalla portata termica. Quindi il lavoro netto può essere trovato semplicemente sottraendo l'apporto di calore e la produzione di calore. La differenza tra i due ci darà l'output di lavoro netto. Quando dividiamo la produzione di lavoro per l'apporto di calore otteniamo il valore dell'efficienza. Abbiamo già discusso la formula nelle sezioni precedenti.

Efficienza del motore a combustione interna rispetto al motore elettrico

Abbiamo già discusso delle massime efficienze dei motori a combustione interna. I veicoli a motore elettrico non bruciano carburante per funzionare.

I motori elettrici, d'altra parte, hanno un'efficienza maggiore rispetto ai motori a combustione. Il tasso di conversione dell'energia del motore elettrico è dell'85%. Quindi possiamo dire che i motori elettrici hanno un'efficienza intorno all'80%-85% mentre l'efficienza massima di un motore a combustione interna può arrivare quasi al 50%.

Efficienza del motore a combustione interna rispetto alla turbina a gas

Le turbine a gas sono dispositivi meccanici che convertono l'energia termica dal vapore in energia meccanica. L'energia meccanica sarà poi convertita in energia elettrica che avviene con l'ausilio di un generatore.

Le turbine a gas hanno un'efficienza di circa il 35-40%. Questo è più della maggior parte dei motori a combustione interna. Ma non utilizziamo turbine a gas nelle locomotive a causa delle dimensioni. I motori a combustione interna sono di dimensioni compatte mentre le turbine a gas sono enormi e vengono utilizzate in applicazioni ad alta velocità.

Come aumentare l'efficienza del motore a combustione interna?

Per aumentare l'efficienza dei motori a combustione interna utilizziamo i seguenti metodi:

• Minore rifiuto del calore
• Alto rapporto di compressione
• Usando una miscela di carburante magra
• Far funzionare il motore in condizioni ottimali

Perché le turbine a gas non vengono utilizzate nei veicoli se hanno una maggiore efficienza?

L'efficienza delle turbine a gas può essere maggiore. Abbiamo già discusso i numeri nelle sezioni precedenti. Ma il motivo per cui non vengono utilizzati nei veicoli è la dimensione di una turbina.

La dimensione di una turbina a gas è molto grande. Ecco perché le turbine vengono utilizzate negli aeroplani e non nei veicoli. Le turbine a gas vengono utilizzate dove l'applicazione riguarda l'alta velocità. I motori a combustione interna sono di dimensioni compatte, quindi sono utilizzati nei veicoli e le turbine a gas no.