Tesina
Upcoming SlideShare
Loading in...5
×
 

Tesina

on

  • 1,114 views

tesina di fisica

tesina di fisica

Statistics

Views

Total Views
1,114
Views on SlideShare
1,114
Embed Views
0

Actions

Likes
0
Downloads
17
Comments
0

0 Embeds 0

No embeds

Accessibility

Categories

Upload Details

Uploaded via as Microsoft PowerPoint

Usage Rights

© All Rights Reserved

Report content

Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
  • Full Name Full Name Comment goes here.
    Are you sure you want to
    Your message goes here
    Processing…
Post Comment
Edit your comment

Tesina Tesina Presentation Transcript

  • A cura di: Federico Torti5 Alt - Liceo Scientifico Tecnologico I.I.S. Alessandrini A.S. 2004 - 2005
  • Il Motore a Combustione Interna rappresenta la più diffusa macchina termica mai realizzata dalluomo, ed oggigiorno il suo impiego trova infinite applicazioni. La ragione di una tale capacità di soddisfare le piùdisparate necessità deve essere ricercata nella facilità di regolazione e di adattamento proprie di questa macchina. Il Motore a scoppio si è adattato velocemente ai bisogni civili ed industriali delluomo,consentendo la realizzazione dellautomobile, della motocicletta, di velivoli e della produzione di energia laddove era impossibile con altri mezzi. Ha accorciato le distanze, rendendo possibile viaggiare a velocità sempre maggiori, ed ha migliorato le comunicazioni, il trasporto delle merci e gli scambi culturali. Inoltre ha permesso lo sviluppo delle corse automobilistiche e motociclistiche, che rappresentano uno dei migliori esempi di integrazione tra macchina ed essere umano, nell’ infinita ricerca delluomo di superare sé stesso e i limiti naturali. 1
  • Indice Motore a scoppio (pag.4):. . . . . . . . . . . . . definizione, struttura, funzionamento e differenze dei moderni motori termici; Termodinamica (pag.19):. . . . . . . . . . . . . concetti fondamentali, Secondo Principio della Termodinamica, rendimento di una macchina termica, cicli di Carnot e di Stirling. Ciclo “Otto” di un motore a quattro tempi (sezione Motore a scoppio); Combustibili derivati dal petrolio (pag.28):. il petrolio e la sua raffinazione, i processi secondari che portano all’ottenimento delle frazioni più pregiate, utilizzate per alimentare i motori a combustione interna; Storia del motore (pag.38):. . . . . . . . . . . .storia dell’invenzione e dell’evoluzione del motore a scoppio, avvenuta in un contesto storico di importanti cambiamenti: la seconda rivoluzione industriale; Henry Ford (pag.45):. . . . . . . . . . . . . . . . from modest, agrarian Michigan roots he became the father of 20th century American industry. Bibliografia (pag.47) 2 Mappa View slide
  • Mappa concettualeStoria del motore Il motore a scoppio Termodinamica Henry Ford Petrolio e derivati 3 Bibliografia View slide
  • Cos’è e come funziona il motore a scoppioUn motore è una macchina il cui funzionamento prevedel’assorbimento di energia da una sorgente e la suatrasformazione in lavoro meccanico.Il motore a combustione interna (endotermico) è chiamatocosì perché, a differenza delle macchine che lo hannopreceduto (come la macchina a vapore di Watt), lacombustione avviene internamente. Il motore endotermico èla macchina termica più diffusa e versatile mai creatadall’uomo.Il motore endotermico è alimentato da una miscela di aria ebenzina, che viene trasformata in lavoro meccanico medianteil processo di combustione, che produce calore e pressione.Esistono molteplici tipologie di motori a combustione interna,che si differenziano per alimentazione, funzionamento oarchitettura.Una prima classificazione può essere fatta in base al movimento dell’organo principale, ilresponsabile della trasmissione del moto. Si possono quindi avere:  Motori di tipo rotativo (detti anche motori a fluido);  Motori di tipo alternativo (motori a scoppio).Il motore a scoppio è sicuramente il motore più largamente utilizzato, oggigiorno.E’ un motore di tipo alternativo quindi può essere definito anche volumetrico, poiché il ciclotermodinamico avviene in un volume definito, chiamato cilindrata. 4
  • Struttura e funzionamento dei diversi motoriUna ulteriore, importante, classificazione viene fatta in base ai movimenti (chiamati corse) del pistonenecessari a chiudere un ciclo di funzionamento: esistono dunque motori a due o a quattro tempi:  Motore a quattro tempi: il ciclo completo di lavoro si compie in quattro corse del pistone e in due giri dell’albero motore. La combustione è provocata dalla scintilla che scocca fra le punte della candela; l’entrata del combustibile nel cilindro e l’uscita del gas combusto sono assicurate da due luci (aperture) sulla testata, che si aprono e si chiudono mediante valvole;  Motore a due tempi: il ciclo completo di lavoro si compie in due corse del pistone e in un solo giro dell’albero motore; a differenza del quattro tempi qui mancano gli organi di distribuzione e di lubrificazione e non esistono valvole. La lubrificazione è assicurata dallolio introdotto nel carburante per formare la miscela, oppure da un miscelatore automatico che provvede ad inserire la quantità dolio necessaria ad una buona lubrificazione direttamente nella camera di scoppio.I motori a combustione interna vengono classificati in base alla cilindrata e alla potenza fornita,misurata in cavalli-vapore. 5
  • I disegni evidenziano le differenze strutturali tra un motore a due tempi ed un motore a quattro tempi: Disegno di un motore a due tempi Disegno di un motore a quattro tempi 6
  • Il motore, nel suo insieme, èessenzialmente costituito da un cilindroentro cui scorre uno stantuffo (pistone) alquale sono collegati biella ed alberomotore, incaricati di trasformare il motoalternato in moto circolare da trasmetterealle ruote motrici.Qui sopra è riportato il cinematismo delfunzionamento di un motore a scoppio,composto da quattro cilindri in linea(quadricilindrico). Sono evidenziate inazzurro le bielle e in verde l’albero motore,i bilancieri e il volano. 7
  • L’ animazione a lato mostra dettagliatamente come sicompie un ciclo in un motore a quattro tempi, cheavviene mediante quattro corse del pistone (dueascendenti e due discendenti) necessarie a svolgere lesei fasi che compongono il ciclo stesso.Il filmato evidenzia il movimento degli alberi a cammeposti alle estremità superiori, il cui compito è di“spingere” verso il basso le valvole per aprire le luci diaspirazione e scarico, e permettere così alla miscelafresca di entrare in camera di scoppio e ai gascombusti di uscire attraverso l’impianto di scarico.Il movimento di ritorno delle valvole è dato dameccanismi pneumatici o meccanici (come il sistemaDesmodromico impiegato da Ducati). Albero a camme Richiamo valvole Desmodromico 8
  • Il filmato a lato mostra in mododettagliato ciò che avviene a livellodi camera di combustione duranteun ciclo completo di funzionamento.Qui sopra è stato riportato ilcinematismo della distribuzione(albero a camme e valvole) in unmotore a quattro cilindri.In verde sono evidenziate lecamme, il cui profilo incidesensibilmente sul carattere e sulleprestazioni di un motore. 9
  • Le fasi del motore Aspirazione: il pistone, dal punto morto superiore (PMS), procede verso il basso aspirando la miscelaattraverso le valvole di aspirazione; Compressione: le valvole si chiudono; una volta raggiunto il punto morto inferiore (PMI), il pistonerisale verso la testa comprimendo il fluido; Esplosione: la candela provoca l’accensione della miscela compressa, nell’istante appena successivoal raggiungimento, da parte del pistone, del punto morto superiore (PMS); in camera di scoppio siraggiungono elevatissime temperature e pressioni; Espansione: in seguito all’esplosione della miscela, il pistone viene spinto verso il basso fino al PMI ela sua temperatura decresce notevolmente; questa è la fase attiva del ciclo, l’unica durante la qualeviene prodotto lavoro; Uscita dei gas: il pistone si trova al PMI e l’apertura delle valvole di scarico ha come risultato lafuoriuscita di gran parte dei gas per depressione e il loro conseguente raffreddamento; Espulsione: il pistone opera l’ultima corsa ascendente, grazie alla quale vengono espulsi i rimanentigas combusti, e termina il ciclo; 10
  • Il disegno rappresenta un ciclo di funzionamento di un motore a scoppio a quattro tempi; spesso,come in questa rappresentazione, la quinta e la sesta fase (Uscita dei gas ed Espulsione) che inrealtà si compiono quasi simultaneamente, vengono rappresentate come una fase sola.Il funzionamento del motore a quattro tempi è basato su un ciclo termodinamico chiamato “cicloOtto”, che prende il nome dal famoso ingegnere tedesco. Il ciclo, ideale, è composto da sei fasi, dellequali solo quattro comportano movimenti del pistone. 11
  • Il ciclo OttoIl ciclo del motore a quattro tempi (ciclo Otto) può essere schematizzato in un diagramma pressione-volume come segue: Ciclo Otto ideale Ciclo Otto realeE’ riferito al funzionamento di un motore ideale, che funzioni molto lentamente, nettamente diversodal funzionamento di un motore a scoppio reale, dove le trasformazioni avvengono così velocementeda non trovarsi mai in uno stato di equilibrio. Ovviamente un motore a quattro tempi è tanto migliorequanto più riesce ad avvicinarsi alla teoria, cioè al ciclo Otto. 12
  •  Il primo tempo (aspirazione) è rappresentato dalla isobara AB, che ha luogo alla pressioneatmosferica e alla temperatura dei cilindri del motore; Il secondo tempo (compressione) è rappresentato dalla adiabatica BC, durante il quale lacompressione provoca l’aumento della pressione e della temperatura della miscela, che avviene senzascambi di temperatura con l’esterno; Il terzo tempo (esplosione) è rappresentato dalla isocora CD. La temperatura e la pressione delgas aumentano rapidamente a causa della combustione della miscela, il volume resta inizialmenteinalterato poiché il pistone non fa in tempo a muoversi; Il quarto tempo (espansione) è rappresentato dall’adiabatica DE, durante il quale la temperaturadei prodotti della combustione si abbassa; Il quinto tempo (uscita dei gas) è rappresentato dall’isocora EB, lungo la quale la pressione del gassi abbassa fino alla pressione atmosferica a causa dell’apertura delle valvole di scarico; Il sesto tempo (espulsione) è rappresentato dall’isobara BA, durante il quale la corsa ascendentedel pistone espelle i gas combusti dalla camera di scoppio e completa così il ciclo. 13
  • Il motore dieselIl motore diesel, inventato nel 1893 dall’ingegnere tedesco Rudolf Diesel,differisce dal tradizionale motore a benzina per diversi aspetti: il combustibileutilizzato per il funzionamento è il gasolio, che presenta proprietàantidetonanti decisamente maggiori rispetto alle benzine, e viene iniettatodirettamente all’interno della camera di combustione, attraverso iniettorielettronici che polverizzano il combustibile in minutissime gocce.L’altra grande differenza con i motori a benzina risiede nel metodo utilizzatoper provocare l’accensione della miscela, che non prevede l’utilizzo dellacandela: la combustione viene provocata attraverso l’incremento dellacompressione durante la seconda fase, che porta ad un aumento ditemperatura tale da innescare la reazione senza l’ausilio della scintilla. Il primo motore Diesel, 1893 Qui a lato è riportato il ciclo Diesel teorico, nel quale, a differenza del ciclo Otto, la combustione avviene più gradualmente e, teoricamente, a pressione costante. Il motore Diesel presenta molti vantaggi rispetto al motore benzina, soprattutto in termini di consumi, erogazione della potenza e durata del motore.Queste caratteristiche, unite alla crescente tendenza a dotare questo tipo di motori di turbine (Turbodiesel), al fine di incrementarne le prestazioni, sono i cardini del crescente successo dei motori alimentati a gasolio. 14
  • Il motore WankelLidea del motore rotativo è quella di convogliare in un percorso approssimativamente circolare iquattro tempi del "ciclo Otto" dei motori a scoppio:Rispetto ai motori a pistoni, il principalevantaggio del motore rotativo Wankel sta nelfatto che questultimo ha solo DUE parti inmovimento.Il "cilindro" del motore Wankel (più propriamente,lo statore) è in effetti un cilindro ovale (untrocoide) che ospita un rotore di formaapprossimativamente triangolare, la cui rotazioneproduce continuamente tre "camere";allargandole e restringendole durante il moto,crea la parte "piatta" del rotore, creando così lacompressione per lo scoppio.Il rotore mantiene separate le tre camere"strisciando" sulla parte interna dello statore emuovendo direttamente lalbero motore che sta alsuo centro. Non ci sono valvole, albero a camme,cinghie, e - ad eccezione degli attriti dovuti allostrisciamento - tutta la potenza prodotta èscaricata sullalbero motore. Cinematismo del funzionamento di un motore rotativo (Wankel) 15
  • Col movimento del rotore nello statore, le tre"camere", solidali con i tre lati del rotore ma limitatedalla forma dello statore, cambiano posizione evolume: idealmente, sarebbe come avere tre cilindrisenza il limite del loro movimento lineare e dellaloro complessità meccanica!Dunque il motore Wankel è assai più leggero di unequivalente a benzina, più affidabile (perché piùsemplice, presenta meno parti in movimento) conassai meno vibrazioni (perché il moto è circolareanziché lineare) con una risposta migliore (perchénon soggetta al sistema delle valvole), menoinquinante (perché la combustione è più "fredda" equindi rilascia una quantità minore di NOx) e perfinopiù silenzioso. Foto di un motore rotativo a doppia candela (Twin Spark) 16
  • Sviluppi futuriGli sviluppi futuri del motore a combustione interna prevedono differenti scenari possibili. Oggiassistiamo al grande sviluppo di motori Diesel, che hanno tuttora un margine di miglioramentosuperiore ai motori a benzina con iniezione indiretta.Tuttavia nel breve periodo si assisterà anche ad unintenso sviluppo del motore a benzina ad iniezionediretta, che preannuncia ottime prestazioni, sia intermini di potenza che di consumi e di emissioniinquinanti. Successivamente alcuni studiosiprevedono che quando la domanda di petrolio nonsarà più soddisfatta dalla sua produzione, allora isistemi di propulsione si dirigeranno su fonti dienergia di tipo rinnovabile.Le vetture a motore elettrico, quelle ibride motoreelettrico - motore termico, quelle alimentate a cellea combustibile, e quelle che utilizzano motori Prototipo di auto sportiva alimentata ad idrogenotradizionali alimentati ad idrogeno sono tutti scenaripossibili e realizzabili nei prossimi dieci o ventanni.Tuttavia il legame esistente tra luomo ed il motore a combustione interna sarà duro a morire, peruna grande quantità di ragioni, da quelle affettive a quelle legate alle competizioni sportive. Pertantoè difficile stabilire ora quale delle strade prospettate sia quella che ha maggiori probabilità didominare sulle altre.Dal punto di vista tecnico sono tutte quante percorribili, dunque saranno essenzialmente ragioni dinatura politico-economica a stabilire quali motori utilizzeremo nelle prossime decadi. 17 Mappa
  • TermodinamicaLa termodinamica è la parte della fisica che si occupa di studiare le leggi con cui i corpi scambiano(ricevono e cedono) calore e lavoro con l’ambiente che li circonda.In particolare, la termodinamica si occupa delle trasformazioni di calore in lavoro che hanno luogo intutte le macchine termiche.Essa spiega e prevede il comportamento dei sistemitermodinamici, ed è fondata su due princìpi:  Il primo principio della termodinamica tiene conto non solo del lavoro, ma anche del calore come forma di trasferimento dell’energia;  Il secondo principio della termodinamica stabilisce precise limitazioni alla possibilità di trasformare lavoro in calore; Esiste anche un terzo principio che si occupa dell’equilibriotermico tra corpi, e prende il nome di “principio zero dellatermodinamica”:  Il principio zero della termodinamica afferma che se un corpo A è in equilibrio termico con un corpo C e anche un corpo B è in equilibrio termico con C, allora A e B risulteranno essere in equilibrio termico tra loro. 18
  • Le trasformazioni termodinamicheEsistono tre tipi fondamentali di trasformazioni:  le trasformazioni isoterme: avvengono a temperatura costante, per il gas perfetto tale trasformazione è rappresentata da un arco di iperbole equilatera;  le trasformazioni isobare: avvengono a pressione costante, in un grafico pressione-volume sono rappresentate da un segmento parallelo all’asse delle ascisse;  le trasformazioni isocore: avvengono a volume costante, in un diagramma pressione-volume sono rappresentate de un segmento parallelo all’asse delle ordinate; Trasformazione isoterma Trasformazione isobara Trasformazione isocora 19
  • Altri tipi di trasformazioni hanno grande importanza in termodinamica:  le trasformazioni adiabatiche: avvengono senza scambio di calore tra il sistema fisico in esame e l’ambiente esterno;  le trasformazioni cicliche: sono trasformazioni nelle quali lo stato di partenza coincide con quello finale, nel diagramma pressione-volume sono rappresentate de linee chiuse; Q tot = W tot  le trasformazioni quasistatiche: sono trasformazioni che avvengono in modo estremamente lento, tali che il sistema in esame passa da uno stato iniziale A ad uno stato finale B attraversando una successione di infiniti stati di equilibrio. Questo tipo di trasformazioni possono essere rappresentate in un diagramma pressione-volume mediante linee continue;  le trasformazioni reali: il comportamento di un gas nel corso di una trasformazione reale è così complesso e casuale da rendere vano ogni tentativo di descriverlo in modo completo. Durante la trasformazione volumi diversi dello stesso gas presentano, a ogni istante fissato, pressioni e temperature diverse.Perciò una trasformazione reale non può essere rappresentata su un diagramma pressione-volume dauna linea continua, bensì da una specie di “fuso”. 20
  • Secondo principio della termodinamicaIn questa sezione ci occuperemo del secondo principio della termodinamica, sul quale si basa ilfunzionamento di una macchina termica come il motore a scoppio.Una macchina termica è un dispositivo in grado di compiere un lavoro continuativo a spese dell’energiainterna ricevuta mediante scambi di calore. In termodinamica, il funzionamento di una macchinatermica è descritto da una trasformazione ciclica.E’ importante che il dispositivo produca lavoro in modo continuativo, poiché un motore deve poterfunzionare per un tempo indefinito.Una macchina termica, per poter funzionare, necessita di almeno due sorgenti di calore, una detta“caldaia” che riscaldi il fluido, provocando la sua espansione, ed una chiamata “refrigerante”, cheraffreddi il fluido in modo da chiudere il ciclo. Lord Kelvin e Rudolph Clausius 21
  • Enunciati del secondo principioSappiamo, come confermato dalle esperienze di Joule, che è possibile trasformare completamente illavoro in calore.Trasformazioni complete di lavoro in calore le possiamo ritrovare ogni volta che sono in gioco delleforze di attrito.Ad esempio la frenata di un’automobile trasforma completamente l’energia cinetica del mezzo incalore dei dischi freno e degli pneumatici.Non è però sempre possibile il contrario, ovvero trasformare completamente il calore in lavoro.Il secondo principio della termodinamica stabilisce precise limitazioni a questa operazione, ed èespresso da due enunciati, equivalenti dal punto di vista logico e fisico: quello di Lord Kelvin e quellodi Clausius.  Enunciato di Lord Kelvin: afferma che è impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia quello di assorbire una determinata quantità di calore da un’unica sorgente di calore e trasformarla integralmente in lavoro. Ovvero i corpi con cui il sistema deve scambiare calore devono essere almeno due: W tot = Q2 - |Q1| > 0  Enunciato di Clausius: afferma che è impossibile realizzare una trasformazione il cui unico scopo sia quello di far passare calore da un corpo più freddo ad uno più caldo; Ovvero il calore non passa mai spontaneamente dai corpi freddi a quelli caldi, il flusso spontaneo del calore tende sempre a livellare le differenze di temperatura. 22
  • Rendimento e terzo enunciatoPer indicare la qualità della macchina termica, ovvero la capacità di convertire calore in lavoro, è statadefinita una nuova grandezza termodinamica: il rendimento.Esso è definito come il rapporto tra il lavoro totale (W tot) prodotto in un ciclo e la quantità di calore(Q2) che la macchina preleva ad ogni ciclo dalla sorgente a temperatura maggiore. W tot R = _______ Q2 Per un dispositivo che lavora tra due sorgenti di calore (Q1 e Q2), ricordando che in unatrasformazione ciclica il lavoro è dato da W tot = Q2 - |Q1|, si ha che: |Q1| R = 1 - ______ Q2 Tenendo conto del fatto che |Q1| <= Q2 e che secondo Lord Kelvin Q1 deve essere diverso da zero,il rendimento di una macchina termica è sempre compreso tra i valori di 0 e 1, e non può assumere ilvalore 1.Dopo queste considerazioni è possibile considerare un terzo modo di enunciare il secondo principiodella termodinamica, ovvero è impossibile progettare una macchina termica che abbia rendimentopari ad 1. 23
  • Cicli di Carnot e di StirlingE’ necessario introdurre il concetto di macchina reversibile:  Una macchina reversibile è un dispositivo che compie una trasformazione ciclica reversibile. Se tale trasformazione è composta da più fasi, ognuna di esse deve essere una trasformazione reversibile.Il teorema di Carnot stabilisce che, data una macchina reversibile R, il cui rendimento è Rr, e un’altramacchina qualunque S, dal rendimento Rs, le quali lavorano tra le stesse due temperature, si hasempre che Rr >= Rs, dove il segno di uguale vale solo se anche S è reversibile.Il ciclo di Carnot (vedi grafico a lato) è larealizzazione pratica, anche se ideale, del teoremadi Carnot.E’ una trasformazione ciclica reversibile che avvieneutilizzando due sole sorgenti di calore. Si riferisce adun fluido contenuto in un cilindro chiuso munito dipistone.E’ costituito da quattro fasi consecutive:un’espansione isoterma, un’espansione adiabatica,una compressione isoterma ed una compressioneadiabatica.Al termine della trasformazione, la macchina hacompiuto un lavoro uguale all’area di pianodelimitata dal grafico. 24
  • Il disegno a lato raffigura il ciclo di funzionamento di una macchina di Carnot, ovvero una macchinatermica che lavora tra due sorgenti di calore T1 e T2, con T1 < T2, secondo il ciclo di Carnot. 25
  • Il ciclo di Stirling è costituito anch’esso da quattro fasi: un’espansione isoterma, una trasformazioneisocora che diminuisce pressione e temperatura, una compressione isoterma ed un’altratrasformazione isocora che riporta il sistema allo stato iniziale. E’ un ciclo decisamente più complesso di quello di Carnot, perché sono necessarie infinite sorgenti dicalore per eseguire le trasformazioni isocore, ma presenta le stesse caratteristiche rilevanti, ovverolavora tra due temperature T1 e T2. Massimo rendimentoFacendo uso del ciclo di Stirling, si può dimostrare che il massimo rendimento di una macchinatermica che lavora tra le temperature T1 e T2 ( con T2 > T1), è stabilito da: T1 R = 1 - _____ T2 Che pone un limite massimo all’efficienza di ogni macchina realizzabile che lavori tra le temperatureT1 e T2, visto che il rendimento di una macchina reale (irreversibile) è sempre minore di quello di unamacchina reversibile. 26 Mappa
  • Petrolio e combustibili Con il termine “petrolio” si designa un insieme di idrocarburi più o meno complessi che si trovano sotto forma gassosa (molecole da 1 a 5 atomi di carbonio), liquida (molecole da 6 a 16 atomi di carbonio) o solida (più di 16 atomi di carbonio). Il petrolio da commercio è liquido poiché le fasi solida e gassosa rimangono in soluzione. Il nome deriva da Petroleum (olio di pietra), utilizzato per la prima volta intorno al 1550 dal tedesco Giorgio Agricola.Il petrolio greggio (non ancora raffinato) si presenta come un liquido oleoso, infiammabile, di colorevariabile dal giallastro al nero e dotato di attività ottica. La composizione del petrolio varia in base alrapporto dei principali costituenti (paraffine, nafteni, sostanze aromatiche, bitume),si possono cosìtrovare petroli paraffinici, naftalenici, misti ed arenici. La formazione del petrolio è dovuta alladecomposizione di sostanze organiche, provenienti da organismi acquatici del regno animale e delregno vegetale (microrganismi, alghe ecc.), a opera di batteri aerobi e soprattutto anaerobi, cioè inambiente privo di ossigeno.Il trattamento base è la distillazione frazionata, con cui il petrolio viene suddiviso in un numeroconsiderevole di frazioni caratterizzate ciascuna da un intervallo (crescente) di temperatura diebollizione. Oltre alla frazione gassosa, si hanno: oli minerali leggeri, oli medi, oli pesanti, residuisolidi. 27
  • Destinazioni dei principali prodotti ricavati dal petrolioSolo le frazioni pesanti e i residui possono essere immessi sul mercato direttamente. Gli oli leggeri,sottoposti a una seconda distillazione, possono essere oggetto di tre trattamenti: stabilizzazione,reforming, raffinazione. La stabilizzazione dà gas utilizzabili nei bruciatori delle raffinerie o perottenere benzine in seguito al processo di polimerizzazione. Il reforming è un processo simile alcracking, che serve a diminuire il potere detonante delle benzine. La raffinazione ha lo scopo dieliminare dalle benzine le impurità. In generale, un procedimento di eccezionale importanza nellalavorazione del petrolio è il cracking, con cui è possibile ottenere prodotti leggeri (benzine nella quasitotalità) dalle frazioni pesanti e dai residui. Un altro processo è costituito dalla polimerizzazionecatalitica. 28
  • Raffinazione del petrolioNonostante i potere calorifico del petrolio si molto alto, la diversità delle molecole che lo compongonoe la loro varia struttura non ne permettono una proficua utilizzazione come combustibile diretto.La raffinazione del petrolio ha lo scopo di raccogliere separatamente le molecole dello stesso tipo edello stesso peso in modo da ottenere frazioni uniformi. Avviene tramite il processo di distillazionefrazionata. Schema della raffinazione del petrolio 29
  • Il petrolio grezzo viene immesso per mezzo di tubi diacciaio in un riscaldatore, dove la temperatura oscilla tra i315 e i 370 °C. I vapori di petrolio vengono poi iniettatinella colonna di frazionamento, o torre a piatti.Nella colonna di frazionamento i gas, passando attraversouna serie di piatti forati, salgono verso lalto,raffreddandosi. Alle diverse temperature si condensano,ritornando allo stato liquido. Ricadendo si depositano suipiatti, dando così luogo alla separazione delle diversefrazioni di idrocarburi.Nel punto più basso della colonna si condensano olicombustibili, lubrificanti, paraffine, cere e bitumi, tra i350° e i 250° C si condensa il gasolio, utilizzato comecombustibile per motori diesel e per il riscaldamentodomestico. Tra 250° e 160° C il kerosene, un combustibileoleoso usato come propellente per aerei a reazione eimpianti di riscaldamento.Tra i 160° e i 70 ° C condensa la nafta, una sostanzaliquida usata come combustibile e, come materia prima,per produrre materie plastiche, farmaci, pesticidi,fertilizzanti. Le benzine condensano tra i 70° e i 20° C.Sono usate, principalmente, come carburante perautomobili ed aerei. A 20° C, rimangono gassosi metano,etano, propano e butano. In particolare, butano e propano,formano il combustibile denominato GPL. Colonna di frazionamento 30
  • In una raffineria, oltre alla distillazione frazionata, si svolgono altri processi, per ricavare ulterioriquantità di prodotti pregiati o per migliorare la qualità dei prodotti ed adeguarli alle richieste delmercato.Ad esempio, in impianti, denominati di "Cracking", è possibile spezzare le catene idrocarburiche piùlunghe. Questo procedimento permette di trasformare prodotti poco pregiati in benzine e gasoli.Attraverso il "Reforming catalitico", viene aumentato il numero di ottani nelle benzine, con la"Desolforazione" si riduce quasi totalmente il contenuto di zolfo nei gasoli. 31
  • Cracking e reformingIl cracking, o decomposizione termica, è un processo che da lunghe molecole inutilizzabili conduce amolecole corte, più adatte per essere utilizzate nei motori.Il processo di rottura (cracking, appunto)viene condotto ad alta temperatura(450-550°C) e a forte pressione; perottenere molecole che presentino unnumero di atomi di carbonio ben definito siimpiegano catalizzatori che dirigono lareazione nel senso desiderato (crackingcatalitico). I materiali catalizzanti sonoargille naturali o sintetiche.Per evitare la formazione di residuicarboniosi si pratica contemporaneamenteun’idrogenazione.Il cracking catalitico permette di migliorarela qualità del prodotto e di operare atemperature e pressioni ridotte.Possiamo considerare il cracking come il La foto rappresenta l’area di una raffineria dove vienetrattamento chiave nella raffinazione delle praticato il Cracking catalitico.benzine. 32
  • Il processo chiamato reforming, invece, consiste nel cambiare la disposizione spaziale degli atomi checostituiscono le frazioni leggere destinate ad essere impiegate come combustibili nei motori a scoppio,in modo da innalzare il loro potere antidetonante.Il reforming, o riassestamento, avviene per riscaldamento delle benzine derivate da cracking e spessoi due processi vengono portati avanti insieme.Le alte temperature (circa 500°C) e la presenza di catalizzatori alluminosi e platino in polvereprovocano la mobilizzazione degli atomi delle grosse catene lineari e il loro successivo riassestamentoin molecole cicliche e ramificate, che reagiscono con maggiore difficoltà con l’ossigeno. Ecco il motivodell’incremento del potere antidetonante. Processo vacuum ed etilazione delle benzineIl residuo semisolido del topping contiene una gran quantità di prodotti interessanti.Per distillarli separatamente si dovrebbero raggiungere temperature così elevate da demolire lemolecole stesse; perciò si procede con una particolare distillazione sotto vuoto (vacuum): diminuendola pressione si abbassa anche il punto di ebollizione di qualsiasi sostanza, ed è perciò possibileseparare le varie frazioni agendo a temperature che le lascino inalterate.Esiste un secondo processo che permette di rendere indetonanti le benzine oltre al reforming:l’aggiunta di catalizzatori negativi che rallentano le reazioni di combustione.La sostanza più utilizzata a questo scopo è il piombo tetraetile, molto tossico poiché durante lareazione di combustione libera atomi di Piombo, il cui impiego è soggetto a progressive limitazioninelle legislazioni di vari paesi, tra cui quelli della CEE. 33
  • Classificazione delle benzineLa benzina è una miscela di idrocarburi liquidi alifatici earomatici provenienti dalla distillazione del petrolio, usata,spesso con aggiunta di vari additivi, come carburante per motoria combustione interna.Vengono chiamate benzine i prodotti derivati dal topping e dalvacuum, che costituiscono le frazioni leggere distillate entro i225°C.La classificazione delle benzine tiene conto di parametri quali: ilgrado di raffinazione, il numero di ottano e il comportamentoalla distillazione.Una benzina non deve essere troppo volatile, deve passarecon regolarità allo stato gassoso nella fase di aspirazione dei motori a 2 e 4 tempi e non devecontenere zolfo e residui gommosi o resinosi che possano dar luogo a depositi carboniosi all’internodella camera di scoppio.Le benzine si dividono in: benzine per autotrazione, combustibili per motori diesel, kerosene, benzineavio, combustibili per motori a reazione e benzine solventi per uso industriale.In seguito ci occuperemo delle prime due tipologie, che vengono utilizzate per alimentare i comunimotori a combustione interna, sia a ciclo otto sia diesel. 34
  • Benzine per autotrazioneLe benzine per autotrazione (benzine di categoria A), si suddividono in “benzine normali” con numerodi ottano pari a 72, e “benzine super”, con numero di ottano pari a 90.Umidità e componenti acidi devono essere assenti, lo zolfo non deve essere presente per più dello0,2%; Le gomme attuali (residui gommosi presenti dopo aver fatto evaporare completamente labenzina a 160°C in corrente d’aria) devono essere inferiori a 10mg/100cm cubi di benzina. La benzina verdeCaratterizzata dal bassissimo contenuto di piombo (inferiore a 0,0013 g/l), da un tenore di benzenetra il 4 e il 5,5% in peso e da un contenuto di idrocarburi aromatici tra il 40 e il 50%, consente dimantenere un rapporto di compressione ancora sufficientemente alto da non penalizzare ilrendimento del veicolo.Tuttavia è fonte di nuove forme di inquinamento altrettanto pericolose e pertanto deve essereabbinata a un particolare apparato di carburazione e scarico, noto come marmitta catalitica, checattura e neutralizza fino al 95% delle sostanze contenute nei gas di scarico. 35
  • Il numero di ottanoE’ un indice riferito a una scala, in cui allisoottano puro (poco detonante) è assegnato il valore 100,mentre al normal-eptano (molto detonante) é assegnato il valore 0.Negli idrocarburi paraffinici (alcani) il potere antidetonante è tanto più elevato quanto più la lorocatena di atomi di carbonio è ramificata: gli idrocarburi cicloparaffinici (cicloalcani), e ancor più quelliaromatici, presentano un potere antidetonante maggiore di quello degli idrocarburi paraffinici aventilo stesso numero di atomi di carbonio e struttura lineare Combustibili dieselNei motori a ciclo Diesel, contrariamente a quanto avviene in quelli a ciclo Otto, vengono impiegatioli medi e pesanti, iniettati direttamente nei cilindri.Esistono varie categorie di combustibili per motori diesel, ma sicuramente il più largamenteimpiegato è il gasolio.Le caratteristiche più importanti per un gasolio sono le proprietà di accensione, la viscosità, ilcontenuto in zolfo.Relativamente alle proprietà di accensione, le norme prescrivono un numero di cetano minimo di 47,per facilitare l’avviamento e ridurre le vibrazioni e i fumi di scarico. La viscosità deve essere tale danon impedire il flusso di combustibile agli iniettori e, come per le benzine, il contenuto in zolfo deveessere nei limiti accettabili per evitare l’originarsi di depositi e prodotti corrosivi. 36 Mappa
  • Nascita del motore a scoppioIl motore a scoppio, o motore a combustione interna, fu il risultato di una lunga serie di studi,ricerche ed esperimenti che videro impegnati numerosi scienziati europei dalla metà dell’ 800 fino aiprimi anni del ‘900.Lorigine del Motore a scoppio risale alla metà del XIX secolo, quando in diverse regioni europeeiniziarono i primi esperimenti nel tentativo di produrre energia meccanica dal calore.Allinizio del 1800 Lebon dHumbersin compie i primi esperimenti con gas illuminante, nel 1824 Carnotpubblica le sue "Riflessioni sul potere del calore di indurre movimento" e negli anni seguenti Brown,Wright e Barrnet realizzano in Inghilterra alcuni motori a gas.Ma il primo motore funzionante con regolarità fu quello di Barsanti e Matteucci, del quale furonodepositati i disegni ed una precisa descrizione nel 1853 e al quale fanno riferimento diversi brevetti inInghilterra, Francia, Belgio e Italia.A tutti gli effetti questo deve essere riconosciuto come il primo motore a combustione interna. Eugenio Barsanti e Felice Matteucci 37
  • Il motore di Barsanti e Matteucci, frutto di una collaborazione professionale nata nel 1851, era costituito da un cilindro in ghisa verticale munito di stantuffo e valvole, ed il rendimento globale si attestava intorno al 14%.Un motore Barsanti-MatteucciSuccessivamente, nel 1860, Lenoirrealizzò un motore molto simile, che peròfunzionava ad azione diretta, con unrendimento del 4%.Tuttavia, grazie anche al supporto delgoverno francese, questo motore ebbe unnotevole successo: fu il primo motore acombustione interna ad essere impiegatonel settore industriale.Nello stesso anno Beau de Rochasinventa e studia teoricamente il ciclo aquattro tempi così come lo intendiamooggi, ma non costruisce alcuna macchinapratica che lo realizzi. Il motore Lenoir del 1860 38
  • Nel 1867 i tedeschi A. Otto ed E. Langen presentano un motore sostanzialmente uguale a quello di Barsanti e Matteucci allEsposizione Internazionale di Parigi, con un rendimento del 12%. Nonostante le enormi dimensioni e le notevoli vibrazioni,questo motore sostituì ben presto il motore Lenoir. Il motore Otto-Langen del 1867Nel 1876 gli stessi inventori realizzarono un motorea quattro tempi basato sul ciclo di Beau de Rochas,che ebbe un tale successo che oggi indichiamo colnome di “ciclo Otto” quello ideato da Beau deRochas.Negli anni che seguirono, limpiego dei motori ascoppio ebbe una notevole diffusione ed il lorosviluppo fu portato avanti da molte persone sia inEuropa che in America. Il prof. August Otto 39
  • Linvenzione del motore a due tempi ad opera di Clerk siebbe nel 1879.Qualche anno più tardi, nel 1882, Enrico Bernardi anticipòDaimler e Benz creando un motore a scoppio alimentato abenzina, la “Motrice Pia”, sul quale venne utilizzato per laprima volta un carburatore. Enrico Bernardi Negli anni compresi tra il 1885 ed il 1890 i tedeschi Daimler e Benz, in maniera indipendente tra di loro, apportano diverse migliorie ai motori esistenti fino a renderli leggeri e potenti a tal punto da poter essere montati su una automobile, la cui invenzione viene accreditata contemporaneamente ai due studiosi nel 1885. Nel 1893 il tedesco Rudolf Diesel realizza il primo motore ad accensione spontanea, nel quale l’accensione della miscela non è determinata da una scintilla bensì da una maggior compressione, che verrà migliorato nel 1927 tramite la pompa meccanica di Bosh.Rudolf Diesel 40
  • Nel 1900 Maybach realizza il primo motore a quattrocilindri in linea che verrà montato sulla primaMercedes.Nel 1957 Felix Wankel ideò il primo motore acombustione interna di tipo rotativo che porta il suonome. Willhelm Maybach Anche se oggi il motore a combustione interna è completamente diverso, in termini di aspetto, materiali e prestazioni, dalle versioni presenti alla fine dell800, i principi del suo funzionamento sono rimasti immutati e non vi sono state innovazioni paragonabili a quelle introdotte nella seconda metà del XIX secolo. Felix Wankel col primo motore rotativo 41
  • Il contesto storico: la seconda rivoluzione industriale Proprio il motore a scoppio, unito alla diffusione dell’energia elettrica, fu una delle principali caratteristiche del periodo di profonda trasformazione economica che venne chiamato “Seconda rivoluzione industriale”,che ebbe inizio con un’improvvisa crisi di sovrapproduzione, scoppiata nel 1873, che durò per circa un ventennio. Questo provocò un notevole rallentamento dello sviluppo ed una prolungata caduta dei prezzi, prodotto delle trasformazioni organizzative e delle innovazioni tecnologiche che permisero di ridurre i costi di produzione.Molti furono i fattori, tra cui il crollo dei prezzi e lacrisi della libera concorrenza, che portarono allosviluppo di grandi concentrazioni finanziarie estrette compenetrazioni tra banche e imprese.Si sviluppava contemporaneamente nei vari stati,una politica protezionistica di appoggio all’economianazionale e una maggiore aggressività sul pianodell’economia estera,che fu la base delle politiche diespansione coloniale delle maggiori potenze. 42
  • La conseguenza più grave della caduta dei prezzi fucertamente lo svilupparsi di una grave crisi agrariache interessò l’europa negli ultimi decennidell’ottocento, ma non colpì i paesi più sviluppati, neiquali i progressi portarono ad una vera e propriarivoluzione agricola.La concorrenza spietata dei prodotti agricolistatunitensi, sempre più a buon mercato, produssegravi conseguenze come l’inasprimento dellaconflittualità sociale e la forte emigrazionetransoceanica.Il calo dell’agricoltura in rapporto alle attivitàeconomiche fu comune a tutti i paesi industrializzati. Caratteristica saliente di questo periodo fu la stretta correlazione tra scienza, tecnologia e produzione, e il rinnovamento tecnologico si concentrò principalmente sulle industrie giovani: chimica, elettrica e dell’acciaio, aprendo nuove prospettive un po’ in tutti i settori produttivi. Come abbiamo già detto, la produzione di energia elettrica (soprattutto con l’illuminazione) e l’invenzione del motore a scoppio rivoluzionarono la vita quotidiana, insieme alla trasformazione scientifica e ai progressi della medicina e dell’igiene. Questi ultimi due aspetti, uniti al notevole sviluppo dell’industria alimentare, determinarono in Europa un calo della mortalità, che fu la causa di un sensibile aumento della popolazione, nonostante la diffusione dei metodi contraccettivi. 43 Mappa
  • Henry FordHenry Ford, born in 1863, grew up on a prosperous family farm inMichigan. Henry enjoyed a childhood typical of the rural nineteenthcentury, spending days in a one-room school and doing farm chores.At an early age, he showed an interest in mechanical things and adislike for farm work.In 1879 Ford moved to the nearby city of Detroit to work as anapprentice machinist, although he did occasionally return to help onthe farm. He remained an apprentice for three years and thenreturned to Dearborn. Henry spent the next few years, operating andrepairing steam engines and taking care of his fathers farmimplements.In 1891, Ford became an engineer with the Edison IlluminatingCompany in Detroit. This event signified a conscious decision todedicate his life to industrial pursuits. Henry Ford His promotion to Chief Engineer in 1893 gave him enough time and money to devote attention to his personal experiments on internal combustion engines. These experiments culminated with the creation of his own self- propelled vehicle, the Quadricycle. The Quadricycle had four wire wheels and had only two forward speeds with no reverse. Although Ford was not the first to build a self-propelled vehicle with a gasoline engine, but surely he was one of the most important automotive pioneers.The Quadricycle 44
  • Industrial successAfter two unsuccessful attempts to establish acompany to manufacture automobiles, the FordMotor Company was incorporated in 1903 withHenry Ford as vice-president and chief engineer.The company produced only a few cars a day atthe Ford factory in Detroit, where groups of twoor three men worked on each car.Ford realized his dream of producing anautomobile that was reasonably priced andreliable with the introduction of the Model T in1908. This vehicle started a new era in personal transportation. It was so easy to handle and maintain that immediately become a huge success. In 1918, half of all cars in America were Model T. To meet the growing demand for the Model T, the company opened a larger factory in Michigan. Here Henry Ford standardized the famous continuous assembly line. Workers remained in place, adding one component to each automobile as it moved past them on the The twenty millionth Model T Ford line. 45
  • The introduction of the moving assembly line revolutionized automobile production by significantlyreducing assembly time and lowering costs. Fords production of Model T made his company thelargest automobile manufacturer in the world.The company constructed one the worlds largest industrial complex along the banks of the RougeRiver in Michigan, between 1910s and 1920s. By September 1927, all steps in the manufacturingprocess took place at the vast Rouge Plant, characterizing Henry Fords idea of mass production.Under Fordism, mass consumption combined with mass production to produce sustained economicgrowth and widespread industrial advancement. The Rouge Plant, Michigan 46 Mappa
  • BibliografiaStoria del motore a scoppio e seconda rivoluzione industriale:  www.torvergata-karting.it  “Storia dal 1650 al 1900” – Editori LaterzaHenry Ford:  www.hfmgv.org  www.time.comTermodinamica e funzionamento motore a scoppio:  “Le idee della fisica – volume secondo” – Zanichelli  www.alfonsomartone.itb.it/vglavh.htmlBenzine e derivati del petrolio:  “Chimica applicata: la chimica del carbonio e la chimica nell’industria” – Zanichelli  it.wilkipedia.org It.encarta.msn.com 47 Mappa