Motore a combustione interna

Motore a combustione interna

Macchina termica motrice, in grado di trasformare in energia meccanica l'energia termica prodotta durante il processo di combustione che avviene in una camera a volume variabile (motori discontinui, o motori a scoppio) o a volume costante (motori continui), parte integrante del motore stesso.

Sono discontinui i motori alternativi ad accensione comandata, detti anche a ciclo Otto, alimentati a combustibile liquido (benzina o miscela alcol-benzina) o gassoso (gas di petrolio liquefatto o metano), i motori rotativi ad accensione comandata, come il motore Wankel, alimentati a benzina, e i motori alternativi ad accensione spontanea, più noti come motori diesel perché funzionanti a ciclo Diesel, alimentati generalmente a gasolio. Sono invece motori continui le turbine a gas, i motori a getto, impropriamente ma comunemente detti a reazione, e i motori a razzo.

CLASSIFICAZIONE Esistono diversi tipi di motori alternativi a combustione interna e la loro classificazione viene effettuata in base a considerazioni di utilità: la principale distinzione riguarda il tipo di alimentazione utilizzata, che può essere a carburazione o a iniezione, e il meccanismo di accensione del carburante, che permette di distinguere fra motori ad accensione a scintilla o ad accensione spontanea. Altri tipi di classificazioni riguardano il carburante utilizzato (benzina, gasolio, metano ecc.), il tipo di ciclo di funzionamento, il numero di tempi del ciclo (due o quattro) o il numero dei cilindri (monocilindrici o policilindrici), la velocità di funzionamento o il tipo di raffreddamento utilizzato.

Della massima importanza sono i motori a ciclo Otto e i motori a ciclo Diesel. I primi (talvolta detti erroneamente 'a benzina', perché possono essere indifferentemente alimentati con altri carburanti) sono i più largamente impiegati nella propulsione di automobili, motociclette, ciclomotori e altri veicoli. I secondi sono impiegati principalmente nella propulsione navale, nei trattori e negli autoveicoli pesanti, pur essendo spesso utilizzati anche nelle automobili. Gli uni e gli altri sono prodotti nelle versioni a quattro tempi e, nelle piccole cilindrate, a due tempi.

ELEMENTI DEL MOTORE La conversione di energia è caratterizzata dal ciclo di trasformazioni (ciclo termodinamico) subite dal fluido motore, il mezzo attivo responsabile di immagazzinare e trasferire l'energia da una parte all'altra del motore. Il mezzo può essere costituito da aria (ciclo Diesel) o da una miscela aria-benzina (ciclo di Beau de Rochas, anche chiamato ciclo Otto, caratteristico del motore a quattro tempi). Il ciclo termodinamico permette la valutazione del rendimento ideale del motore. In pratica, l'efficienza del motore va calcolata per il ciclo reale, in cui si tiene conto di numerosi effetti non ideali, quali la dispersione del calore, i ritardi di apertura e chiusura delle valvole, la durata del processo di combustione, la decomposizione chimica dei gas prodotti dalla combustione, che in definitiva causano la variazione di quelle grandezze termodinamiche, considerate viceversa costanti nel corso di un ciclo ideale.

I motori diesel e quelli a ciclo Otto hanno in comune numerosi componenti. In entrambi la camera di combustione è costituita da un cilindro in cui si muove un pistone (o stantuffo) collegato, mediante una biella, al bottone di manovella dell'albero motore. Questo è detto anche albero a gomiti per la sua particolare forma, che consente di trasformare in moto rotatorio continuo il moto rettilineo alternativo del pistone. Nei motori policilindrici le manovelle dell'albero a gomiti sono sfalsate una rispetto all'altra, in modo che la potenza dei singoli cilindri venga applicata all'albero stesso in sequenza regolare durante la rotazione. Gli alberi a gomiti sono dotati di pesanti volani e contrappesi che, grazie alla loro inerzia, riducono al minimo le irregolarità nel movimento dell'albero.

Alimentazione e accensione del combustibile Il combustibile utilizzato nei motori a quattro tempi è preferibilmente un liquido o un gas capace di ben miscelarsi e omogeneizzarsi con l'aria, che fornisce l'ossigeno necessario alla combustione. Si utilizzano perciò combustibili ad alto numero di ottano, quali benzine, benzolo, alcoli, oppure gasolio nei motori diesel. Nel caso del motore a ciclo Otto, caratterizzato da un'alimentazione a carburazione, il sistema di alimentazione del liquido è costituito da una pompa, che aspira dal carburatore la miscela aria-combustibile. Nei motori diesel il carburante viene sempre iniettato direttamente nella camera di combustione del cilindro, nella quantità necessaria a formare, con l'aria ivi contenuta, la miscela esplosiva: il motore diesel è dunque un esempio di motore ad alimentazione a iniezione, in cui inoltre l'accensione della miscela si verifica spontaneamente (motore ad accensione spontanea), grazie all'alta temperatura raggiunta nel cilindro al termine della fase di compressione. Nei motori alimentati a gas, il carburante è compresso in apposite bombole, dalle quali perciò esce spontaneamente, senza bisogno di pompa. Prima dell'ingresso nel cilindro, sul condotto del gas è applicato un semplice rubinetto per controllare il flusso. In tutti i motori a combustione interna, l'ingresso del carburante nel cilindro e l'uscita dei gas di combustione sono regolati da valvole azionate da un albero a camme collegato con l'albero motore.

L'accensione della miscela aria-carburante nella camera di combustione dei motori a ciclo Otto viene innescata da un piccolo arco elettrico (la cosiddetta scintilla) che scocca fra gli elettrodi della candela di accensione, al termine della fase di compressione. Questo sistema richiede una sorgente di elettricità a bassa tensione e corrente continua, collegata all'avvolgimento primario di un trasformatore detto bobina d'accensione. La corrente viene interrotta molte volte al secondo da un interruttore automatico e le pulsazioni prodotte nell'avvolgimento primario inducono una corrente pulsante ad alta tensione nell'avvolgimento secondario. Questa corrente ad alta tensione viene portata in sequenza alle candele dei singoli cilindri mediante un commutatore rotante (distributore) oppure, nei motori ad accensione elettronica, mediante una centralina di distribuzione.

Raffreddamento Per smaltire il calore prodotto durante il processo di combustione, tutti i motori sono dotati di sistemi di raffreddamento. Alcuni motori aerei e automobilistici, i piccoli motori stazionari e i motori fuoribordo delle imbarcazioni sono raffreddati ad aria, mediante una serie di alette ad ampia superficie che si aprono sull'esterno del cilindro. Nel caso di motori raffreddati ad acqua, i cilindri sono circondati da un'intercapedine in cui circola acqua, la cui temperatura viene mantenuta costante dal passaggio all'interno di un radiatore. Nei motori marini, si usa l'acqua di mare come liquido refrigerante.

Avviamento I motori a combustione interna devono prevedere un sistema apposito per avviare l'albero a gomiti e dare inizio al ciclo di funzionamento. L'avviamento porta il motore a un numero di giri (fra 50 e 250) tale che l'energia sviluppata in un ciclo sia sufficiente a far procedere il sistema autonomamente. Solitamente i motori degli autoveicoli vengono avviati mediante un motorino elettrico collegato con l'albero a gomiti e che viene 'staccato' automaticamente una volta avviato il motore. Alcuni motori più piccoli vengono avviati manualmente, azionando una manovella o un pedale oppure tirando una cordicella avvolta per alcuni giri attorno al volano. Per l'avviamento dei motori di grandi dimensioni, in particolare quelli aeronautici, si usano talvolta gli starter a inerzia, costituiti da un volano che viene fatto ruotare a mano - o mediante un motorino elettrico - sino a quando l'energia cinetica non è sufficiente a far girare l'albero a gomiti, e gli starter a esplosione, che utilizzano l'esplosione di una cartuccia a salve per azionare il volano di una turbina accoppiata al motore.

MOTORI A CICLO OTTO La versione più diffusa è quella a quattro tempi: ciò significa che in un ciclo completo i pistoni compiono quattro corse, due verso la testa del cilindro e due in direzione opposta. Durante la prima corsa il pistone si allontana dalla testa del cilindro e la valvola di ammissione si apre; il moto del pistone provoca laspirazione di una determinata quantità di miscela di aria-carburante nella camera di combustione. Durante la corsa successiva il pistone si sposta verso la testa del cilindro, comprimendo la miscela nella camera di combustione; quando il volume di quest'ultima è al minimo, al termine della corsa, l'arco elettrico prodotto dalla candela di accensione innesca la combustione della miscela. Nella combustione si sviluppa una notevole quantità di gas che, espandendosi, esercita una forte pressione sul pistone, il quale si allontana dalla testa del cilindro e compie la terza corsa, la sola attiva del ciclo. Durante la corsa finale la valvola di scarico si apre e il pistone si riporta verso la testa del cilindro; i gas di combustione vengono evacuati dal cilindro e il motore è pronto per ripetere il ciclo.

Il rendimento dei motori a ciclo Otto è limitato da numerosi fattori, principalmente dalle perdite dovute al raffreddamento e all'attrito, e dipende strettamente dal rapporto di compressione (rapporto tra i volumi massimo e minimo della camera di combustione), che è dell'ordine di 8 a 1, o di 10 a 1 nei motori più moderni. Sono anche possibili rapporti di compressione più elevati, sino a circa 12 a 1, con un rendimento superiore al normale 20-25%, purché vengano utilizzati carburanti ad alto numero di ottano.

MOTORI A DUE TEMPI Nei motori a due tempi le fasi di ammissione e di scarico sono ridotte a una piccola frazione delle corse di compressione e di espansione. Nei tipi più semplici, l'ingresso del carburante e l'uscita dei gas di combustione avvengono attraverso fessure (luci) nella parete del cilindro, che vengono chiuse o aperte dal pistone stesso: la miscela aria-carburante viene introdotta attraverso la luce d'ammissione quando il pistone si trova nella posizione più distante dalla testa del cilindro, quindi viene compressa (corsa di compressione) e infine incendiata quando il pistone si trova a fine corsa. Durante la corsa attiva, il pistone si abbassa scoprendo la luce di scarico e consentendo l'evacuazione dei gas dalla camera di combustione.

MOTORI ROTATIVI Negli anni Cinquanta l'inventore tedesco Felix Wankel ideò un motore a combustione interna radicalmente nuovo, in cui il pistone e il cilindro venivano sostituiti da un rotore a tre lobi, rotante in una camera pressoché ovale. La miscela aria-carburante viene aspirata attraverso una luce di ammissione e intrappolata tra una faccia del rotore in rotazione e la parete della camera ovale. Il rotore comprime la miscela e l'accensione viene ottenuta per mezzo di una candela. I gas di combustione vengono quindi espulsi attraverso una luce di scarico per effetto della rotazione. Il ciclo si ripete in corrispondenza di ognuno dei lobi del rotore, producendo così tre corse attive a ogni rotazione. Le dimensioni ridotte del motore Wankel, e il conseguente minor peso rispetto ai motori alternativi, sembravano prospettare a questa soluzione un grande avvenire, anche alla luce dell'aumento dei prezzi del petrolio che caratterizzò gli anni Settanta e Ottanta. I motori Wankel sono praticamente privi di vibrazioni, la loro semplicità meccanica comporta bassi costi di produzione, hanno limitate necessità di raffreddamento e centro di gravità molto basso, che contribuisce alla sicurezza del funzionamento. Nonostante questi vantaggi, la produzione di tali motori, iniziata in Giappone e negli Stati Uniti nei primi anni Settanta, è stata sospesa a causa dell'elevato consumo di carburante e del notevole inquinamento prodotto.

MOTORI A CARICA STRATIFICATA Una variante del motore alternativo a ciclo Otto, il motore a combustione interna con carica stratificata, è stata progettata per ridurre le emissioni nocive senza dover disporre di un sistema di ricircolo dei gas di scarico o di un convertitore catalitico. La caratteristica fondamentale di questo tipo di motore è la doppia camera di combustione per ogni cilindro, con una precamera che riceve una miscela aria-carburante arricchita, mentre la camera di combustione viene riempita con una miscela molto povera. L'arco elettrico della candela di accensione innesca la combustione della miscela arricchita, che si propaga alla miscela principale. La temperatura di picco che ne risulta è abbastanza bassa da inibire la formazione di ossidi d'azoto, mentre la temperatura media è sufficientemente elevata da limitare le emissioni di monossido di carbonio e di idrocarburi.