Motore a combustione interna: alternativo e rotativo a confronto

Indice

• Prefazione ........................................................................................................ 1
• 1. Introduzione: Il motore endotermico ........................................................ 2
• 1.1 Struttura e funzionamento ...................................................................... 3
• 1.2 Cicli termodinamici .................................................................................. 7
• 1.3 Prestazioni ............................................................................................... 13
• 2. Motore alternativo ..................................................................................... 18
• 2.1 Struttura ................................................................................................. 19
• 2.2 Parametri geometrici e cinematici ........................................................... 24
• 2.3 Funzionamento ....................................................................................... 26
• 2.4 Peculiarità e campi d'applicazione ......................................................... 28
• 3. Motore rotativo ......................................................................................... 29
• 3.1 Struttura ................................................................................................. 31
• 3.2 Parametri geometrici e cinematici ........................................................... 36
• 3.3 Funzionamento ....................................................................................... 41
• 3.4 Peculiarità e campi d'applicazione ......................................................... 44
• 4. Confronto ................................................................................................. 46
• 4.1 Struttura ed affidabilità .......................................................................... 47
• 4.2 Manutenzione ......................................................................................... 49
• 4.3 Carattere ................................................................................................ 50
• 4.4 Consumi ed emissioni ............................................................................. 52
• Conclusioni .................................................................................................... 53
• Ringraziamenti ............................................................................................... 54
• Bibliografia ..................................................................................................... 55

Prefazione

Questo elaborato nasce dall’idea di confrontare due tipologie di motori: quello alternativo e quello rotativo, quindi una tipologia che oggigiorno è estremamente diffusa laddove è presente un propulsore endotermico ed una più di nicchia. La mia volontà di sostenere questo confronto nasce proprio da questa distinzione di popolarità tra i due; da una parte un motore con ormai due secoli di sviluppo alle spalle e un’applicazione estesa ad innumerevoli ambiti e dall’altra un motore che nasce non più di 60 anni fa e che sulla strada della sua crescita ha trovato non pochi ostacoli per poi rimanere, di fatto, un prodotto di nicchia. La comparazione è volta ad analizzare le differenze tra i due in termini di idea di base, quindi generazione del moto, ma anche in termini di realizzazione, geometria, struttura e funzionamento del motore; oltre a ciò si vedranno le differenze di risultati e prestazioni finali, analizzando aspetti come potenza, affidabilità ed emissioni.

Per poter aprire un confronto tra due motori endotermici è necessario innanzitutto sapere cosa si intende per motore endotermico e conoscere il suo funzionamento dal punto di vista meccanico e termodinamico; questo concetto fulcro è racchiuso in una serie di fattori e caratteristiche del propulsore che vanno dalla geometria dei componenti, al movimento e funzionamento generale permessi dalla struttura che costituisce il motore in sé. Con questo scopo ho ritenuto necessario introdurre l’elaborato con un capitolo che cercasse di racchiudere in maniera esplicativa e sintetica queste informazioni per poi passare alla parte più corposa ed effettivo argomento della tesi.

I due capitoli successivi vanno nello specifico ad analizzare rispettivamente il motore a movimento alternativo e quello a movimento rotativo; ne verranno descritti la geometria, la struttura, il funzionamento nonché pregi e difetti. Laddove non verrà specificato ci tengo a sottolineare che il riferimento principale dell’utilizzo di questi motori è il settore automobilistico, sia esso in ambito sportivo competitivo oppure di trasporto.

Lo sviluppo dell’idea di base di generazione del moto porta i due motori ad avere caratteristiche ed un “carattere” percepito differente. Nel quarto capitolo il confronto riguarderà proprio i risultati della loro realizzazione, quindi le prestazioni, l’affidabilità, il comfort e le emissioni. Questo permetterà inoltre di capire i motivi per cui il motore rotativo è destinato ad oggi, ma probabilmente anche nel futuro, ad essere un motore di nicchia riservato agli appassionati o ad utilizzi che si discostano dall’industria automobilistica.

1. Introduzione: Il motore endotermico

In questa prima parte si vedranno le principali caratteristiche costruttive e strutturali di un propulsore endotermico, delle parti che lo compongono e dei sistemi ausiliari, senza andare nel dettaglio in quanto questo richiederebbe di riferirsi ad un particolare motore o ad una particolare classe. Nel secondo e terzo capitolo si analizzeranno i medesimi componenti più dettagliatamente, senza ritornare sul principio o sul motivo della loro presenza, che verranno esplicitati proprio in questo capitolo.

I motori endotermici, o a combustione interna, si dividono in motori volumetrici e motori continui: nei primi il fluido motore viene elaborato con cadenza periodica all'interno di un volume ben definito e generato ciclicamente dal moto di alcuni organi meccanici; nei secondi il fluido motore viene elaborato in maniera continua in una zona a volume non variabile. In questo elaborato la trattazione riguarda esclusivamente motori endotermici volumetrici.

Il motore endotermico è sostanzialmente un convertitore di energia, ovvero il cui scopo è quello di trasformare l’energia chimica del carburante in lavoro meccanico, mettendo in rotazione l’albero motore. L’ecosistema che sta in mezzo tra input e output è un’incredibile e sofisticata sinergia di processi che riguardano la geometria del motore, la sua struttura, il suo funzionamento e che influenzano le sue prestazioni ed emissioni.

Andando con ordine, la base del motore endotermico è proprio la conversione di energia: una miscela di carburante e comburente (ossigeno dell’aria) viene introdotta in camera di combustione dove avviene la reazione di combustione che libera una grandissima quantità di energia sotto forma di calore, il quale genera pressione attraverso i prodotti della combustione che cercano di espandersi andando a movimentare un pistone. Il pistone è parte di un sistema cinematico che mette in rotazione l’albero motore a cui vengono poi collegati trasmissione, che utilizza il lavoro meccanico per il movimento, e servizi, per convertire il lavoro in ingresso in energia elettrica tramite un generatore.

Questo processo di conversione dell’energia si ripete ciclicamente, ogni ciclo ha inizio con l'introduzione della miscela in camera di combustione e termina con l’eiezione dei gas combusti.

1.1 Struttura e funzionamento

La parte fondamentale del motore endotermico è la camera di combustione che permette la conversione di energia chimica in lavoro meccanico. Questa, nel caso di motore endotermico volumetrico, è una regione a volume variabile che si viene a creare tra le parti statiche del motore (basamento, testata) e lo stantuffo, organo in movimento.

La camera statorica porta due aperture che possono o meno essere fornite di valvole per l’immissione della miscela combustibile e per l’eiezione dei gas combusti. È inoltre possibile trovare la presenza di una o più candele, componenti il cui compito è quello di scoccare, tramite un’elevata differenza di potenziale tra i suoi elettrodi, una scintilla elettrica che permette l’accensione del combustibile.

I propulsori endotermici possono essere divisi in grandi classi, mettendo in evidenza la differenza del sistema di introduzione del combustibile oppure del modo di accenderlo. Nel primo caso si avrà o meno la presenza delle valvole nei condotti di aspirazione e scarico, distinguendo, rispettivamente, i “motori ad iniezione” dai “motori a carburazione”. Nel secondo caso, invece, si può avere la presenza di candele per l’accensione del carburante, parlando di “motore ad accensione comandata”; se queste non sono presenti, si parla allora di “motore ad accensione spontanea”.

Elemento chiave della combustione è la pressione generata che è responsabile della forza che agisce sullo stantuffo. La forma della camera di combustione ha una grande importanza nella distribuzione della forza sullo stantuffo oltre che nella velocità e nella qualità della combustione che avviene.

Lo stantuffo segue un percorso guidato dalla parte statorica del motore mantenendo un contatto con essa durante tutto il moto. Il contatto non viene assicurato dallo stantuffo in sé, che altrimenti si usurerebbe o creerebbe danni alla parte statorica, ma dai “segmenti”, sostanzialmente delle guarnizioni studiate appositamente per questo compito, fissate sullo stantuffo e striscianti sullo statore. Il loro obiettivo è quello di mantenere la totalità della pressione generata dallo scoppio nella camera di combustione. Questo semplice compito porta con sé una serie di problematiche: per evitare che il gas trafili attraverso il contatto statore-stantuffo è necessario che i segmenti esercitino una grande forza su entrambi; essendo, però, lo stantuffo in movimento, una grande forza di contatto tra segmento e statore prevede una grande forza di attrito dinamico (vedi figura 1.1). Nel caso in cui il segmento abbia una durezza maggiore dello statore il rischio è quello di segnare lo statore; nel caso opposto si prevede una forte usura dei segmenti. Entrambi i casi portano allo stesso risultato: la pressione non riuscirà più ad essere contenuta in camera di combustione, facendo trafilare i gas combusti e così perdere rendimento ad ogni ciclo. Risulta, quindi, fondamentale in questa parte un adeguato studio degli sforzi che si vengono a creare sulle parti coinvolte oltre che dei materiali utilizzati i quali devono essere in grado di fornire proprietà come quelle di durezza (statore), resilienza e resistenza a fatica (stantuffo).

Figura 1.1 - Cause microscopiche dell'attrito: microsaldature nel caso “A”, ostacolo al movimento nel caso “B”

Oltre alla forma della camera di combustione con il relativo moto trasmesso ha grande importanza il cinematismo che si occupa di trasformare il moto dello stantuffo in moto rotatorio; questo dipende dalla tipologia di motore. Nell’essere stato argomento di innovazione, volta a migliorare l’efficienza del ciclo termodinamico coinvolto, il dominio assoluto in questo ambito è stato acquisito dal meccanismo biella-manovella, ma non sono mancati i tentativi di innovazione.

Figura 1.2 - Manovellismo ordinario centrato

Si tratta del manovellismo ordinario centrato, facente parte dei sistemi articolati. In particolare qui si ha il caso con un grado di libertà che permette, come da definizione di sistema articolato, la conversione di un moto rettilineo alternato (stantuffo) in un moto rotatorio (albero a gomiti o albero motore) (figure 1.3 e 1.4). Gli elementi della catena cinematica in questione sono la biella, che compie un movimento rototraslatorio, e la manovella, che compie un moto rotatorio.

Figura 1.3 - Velocità stantuffo Figura 1.4 - Velocità angolare albero motore

L’albero motore ha un grande ruolo oltre che importanti carichi e stress da vincere. Lo studio strutturale e dei materiali di questo organo non è indifferente in quanto a regimi di giri elevati deve essere in grado di supportare l’aumento sempre maggiore della potenza in ingresso, mantenendosi integro, mantenendo la sua forma inalterata ed evitando l’usura.

Quest’ultimo scopo viene solitamente adempito montando, sulla connessione all’eccentrico dell’albero motore, dei cuscinetti a strisciamento, detti “bronzine”. Questi componenti devono il loro nome al fatto che inizialmente venivano dotate di uno strato superficiale di bronzo, che permetteva di avere un attrito minore rispetto ad altri materiali. I progettisti di bronzine devono assicurare ai prodotti le seguenti qualità: basso coefficiente d’attrito, buona durezza superficiale per rallentare l’usura, ottima conducibilità termica per dissipare il calore prodotto dall’attrito, resistenza alla corrosione e mantenimento delle proprietà al variare della temperatura.

Fin qui è stata sostanzialmente descritta la struttura degli organi fondamentali adibiti alla generazione e trasmissione del moto. Senza però una serie di gruppi ausiliari, il funzionamento del motore, o per lo meno il suo utilizzo a lungo termine, non potrebbe essere garantito.

Nella descrizione precedente sono state citate più volte problematiche legate agli attriti; in questo senso fondamentali sono i sistemi di lubrificazione e di raffreddamento. Per quanto diversi essi possano sembrare hanno uno scopo comune, ovvero quello abbattere le elevate temperature che si creano. Queste hanno varie cause che in parte si discostano dalla combustione in sé e riguardano principalmente gli attriti delle parti in movimento.

Come detto in precedenza, la tenuta della camera di combustione deve essere quanto più perfetta possibile e con stabilità a lungo termine; i segmenti del pistone adempiono questo compito ma hanno un lato negativo: l’attrito dissipa energia sotto forma di calore. A causa della velocità con cui si svolgono i cicli di lavoro nel motore, il calore dissipato risulta essere per nulla indifferente. Questo porta gli organi in movimento, ma più in generale tutto il sistema, ad avere problemi nello svolgere i rispettivi compiti oltre che ad usurarsi, ridurre la propria resistenza meccanica, o eventualmente rompersi e quindi non riuscire più ad essere utilizzabili.

La lubrificazione ha il compito di diminuire il lavoro perduto in attrito e di impedire l’ingranamento: la compenetrazione reciproca dovuta allo strisciamento di due corpi metallici. Interponendo fra i due corpi un sottile strato di fluido lubrificante viene sostituito all’attrito di strisciamento fra i metalli l’attrito di scorrimento interno del fluido che è di molto inferiore e provoca minor riscaldamento. Nei motori endotermici i compiti affidati alla lubrificazione sono essenzialmente:

• Impedire il contatto diretto tra parti accoppiate e soggette a moto relativo
• Raffreddare le parti lubrificate
• Facilitare la tenuta degli stantuffi

Ci sono vari fattori che influenzano la lubrificazione e questi sono, oltre le caratteristiche dei lubrificanti, la levigatezza delle superfici di scorrimento, la natura e la durezza dei materiali che compongono le parti accoppiate e il gioco esistente nell’accoppiamento.

Per quanto riguarda il sistema di raffreddamento, la fiamma generata in camera di combustione fa innalzare la temperatura di tutte le parti con cui va in contatto e, considerando la cadenza con cui questa viene prodotta, la dissipazione del calore non è per niente un compito facile.

Date le alte temperature in gioco è necessario refrigerare il sistema affinché i vari organi siano mantenuti a temperature tali che non ne venga compromessa la resistenza meccanica e sia mantenuto il potere lubrificante dell’olio. L’aumento del numero di giri, inoltre, provoca la necessità di raffreddamenti più efficaci poiché è minore il tempo disponibile ad ogni ciclo per la cessione di calore. Questa viene fatta per mezzo di un fluido, che può essere liquido (in genere acqua) o gassoso (aria) che lambisce in movimento le pareti del motore. Tramite questa distinzione si ha la possibilità di classificare i motori in “raffreddati ad acqua” e “raffreddati ad aria”.

1.2 Cicli termodinamici

Il ciclo termodinamico è caratteristico per ogni motore. Per ciclo di lavoro si intende la successione di operazioni che il fluido attivo compie in camera di combustione e si ripete con legge periodica. Esso rappresenta l’insieme di una successione di trasformazioni termodinamiche che compongono un ciclo chiuso, ovvero che consentono al sistema di tornare al proprio stato termodinamico iniziale. Solitamente viene rappresentato in un grafico p-V (pressione - volume), la cui area sottesa rappresenta il lavoro efficace, quindi questa rappresentazione torna molto utile per notare le differenze tra due cicli differenti ad esempio; ma viene anche utilizzato il grafico T-S (temperatura - entropia), la cui area rappresenta il calore netto prodotto.

Figura 1.5 - Ciclo termodinamico generico rappresentato nei diagrammi p-V e T-S

Ad oggi i cicli progettati utilizzati nei motori endotermici non sono molti: Otto, Diesel