Motori a combustione interna - Tesina

Ministero dell’Istruzione

dell’Università e della Ricerca

IIS ITI – IPA – ITA “E. Majorana”

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Istituto tecnico industriale statale “E. Majorana”

Rossano

Esami di stato 2012/2013

Tesi: motori a combustione interna

Candidato: Tavernise Vincenzo

Classe: 5°AM

Indice

• 1. Motori a combustione interna...................................................................4
• 2. Motori a quattro tempi.................................................................................11
• 3. Ciclo reale e ideale........................................................................................20
• 4. Motori desmodromici.....................................................................................21
• 5. Alimentazione del combustibile.............................................................23
• 6. Combustibili........................................................................................................24
• 7. Accensione e accensione meccanica....................................................25
• 8. Accensione elettronica..............................................................................26
• 9. Combustione.......................................................................................................27
• 10. Iniezione................................................................................................................28
• 11. Iniezione diretta..............................................................................................31
• 12. Sovralimentazione…....................................................................................34
• 13. Lubrificazione..................................................................................................37
• 14. Motori due tempi.............................................................................................40

Prefazione

La tesi che ho sviluppato riguarda “I motori a combustione interna”, ho scelto questo argomento perché sono appassionato di motori sin dalla mia infanzia. I motori hanno portato una enorme rivoluzione nello sviluppo dell’uomo e hanno migliorato i canoni di vita del genere umano. Quindi per me i motori hanno un’importanza fondamentale e mi affascinano molto. In questa tesi ho sviluppato il funzionamento dei motori a combustione interna, i motori a quattro e due tempi, i componenti e le loro caratteristiche e tutto ciò che serve per la sua corretta movimentazione.

By Tavernise Vincenzo 5°AM

Motori alternativi a combustione interna

I motori alternativi a combustione interna sono macchine termiche che forniscono lavoro all’albero attraverso la combustione discontinua del combustibile in una camera di lavoro il cui volume viene fatto variare per mezzo del moto di uno stantuffo. Lo stantuffo scorre all’interno di un cilindro chiuso superiormente da una testata; l’energia liberata dalla combustione del fluido motore, consistente in aria a cui viene aggiunto il combustibile, viene ceduta allo stantuffo, il cui moto alterno viene poi convertito, attraverso un meccanismo biella-manovella, nel moto rotatorio dell’albero motore, che è l’organo da cui viene prelevato il lavoro prodotto. La combustione avviene all’interno del fluido motore e quindi il fluido, una volta combusto, deve venire rinnovato attraverso un apparato di distribuzione capace di ricambiare periodicamente il fluido motore.

A differenza delle macchine a combustione esterna e delle macchine a combustione interna a flusso continuo, come l’impianto di turbina a gas, la combustione, nei motori alternativi a combustione interna (abbreviazione: motori a c.i.), avviene all’interno della stessa macchina che fornisce lavoro: il cilindro in cui scorre lo stantuffo. 4

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Questo fatto porta da una parte a semplificazioni dovute all’assenza di scambiatori di calore con il vantaggio di minori fonti di perdite; dall’altra parte esistono delle limitazioni nella scelta dei combustibili che non possono essere solidi e devono avere requisiti tali da realizzare la combustione nei modi e nei tempi voluti, così come esistono delle complicazioni legate alla necessità di rinnovo del fluido motore. La combustione tuttavia nei motori alternativi può avvenire a temperature molto alte proprio perché di breve durata e perché il materiale delle pareti del cilindro è stato precedentemente “raffreddato” dal nuovo fluido entrato, questo fa sì che quelle che potrebbero sembrare esigenze estremamente severe rappresentino al contrario le condizioni indispensabili perché questo tipo di motore possa raggiungere rendimenti molto alti, i più elevati nel campo delle macchine termiche. Fatto tanto più rilevante se si pensa che questi rendimenti possono essere raggiunti anche con macchine aventi potenze modeste.

• 1) Termostato acqua;
• 2) Puntiera;
• 3) Valvola di scarico;
• 4) Valvola d’aspirazione;
• 5) Iniettore;
• 6) Testa cilindri;
• 7) Stantuffo con camera di combustione toroidale;
• 8) Basamento motore;
• 9) Biella;
• 10) Volano motore;
• 11) Valvola regolazione pressione olio;
• 12) Pompa olio;
• 13) Coppa olio;
• 14) Albero motore contrappesato;
• 15) Ingranaggio conduttore sull’albero motore;
• 16) Ingranaggio di rinvio comando pompa iniezione;
• 17) Ingranaggio comando albero distribuzione;
• 18) Pompa acqua;
• 19) Ventola. 5

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Gli organi che convertono il moto rettilineo alterno dello stantuffo nel moto rotatorio dell’albero motore sono solitamente una biella e una manovella, ma talvolta, soprattutto nel caso di motori di grandi dimensioni, fra lo stantuffo e la biella viene interposta un’asta e una testa a croce.

Per i motori che presentano un solo albero motore le disposizioni più adottate sono:

• a) In linea: tutti i cilindri giacciono su uno stesso piano; 6

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• b) A V semplice o multipla: i cilindri giacciono su 2 o più piani che si intersecano formando un determinato angolo;
• c) Contrapposti: si tratta di un caso particolare di motore a V semplice in cui l’angolo fra i due piani è di 180°; 7

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d) A stella singola o doppia: i cilindri sono disposti radialmente all’albero motore su uno o due piani perpendicolari, in modo da creare l’immagine di una stella.

In alcuni motori, più stantuffi operano in una camera di combustione comune; nel caso del motore a U (e) gli stantuffi si muovono nello stesso verso, mentre nel caso del motore a stantuffi contrapposti (f) gli stantuffi si muovono l’uno nel verso opposto all’altro.

La struttura del motore alternativo è fondamentalmente costituita da:

• Cilindro: formato da una canna, alettata all’esterno (quando raffreddata ad aria) oppure non alettata e circondata da un involucro che lascia il posto a un’intercapedine per il liquido refrigerante;
• Testata: chiude in alto il cilindro;
• Incastellatura: collega il cilindro con il basamento;
• Basamento: su cui si scaricano le forze di inerzia del manovellismo e le forze generate dalla pressione dei gas; 8

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• Stantuffo: delimita la parete della camera variabile che riceve il lavoro dal fluido per trasmetterlo all’albero a gomiti;
• Manovellismo: trasmette il lavoro all’albero a gomiti ed è costituito da spinotto, biella e manovella;
• Coppa dell’olio: chiude inferiormente il carter e raccoglie l’olio di lubrificazione della canna del cilindro.

Affinché il motore funzioni correttamente è necessaria tutta una serie di apparati e dei rispettivi organi che provvedano a soddisfare le diverse esigenze del motore stesso:

• Distribuzione: ha il compito di rinnovare all’istante voluto il fluido motore;
• Alimentazione: provvede a fornire combustibile al motore nel momento, nella quantità e nel modo richiesti;
• Accensione: questo apparato viene utilizzato in quei motori dove la combustione del fluido va innescata artificialmente;
• Lubrificazione: si incarica di portare il lubrificante nei punti e nella quantità stabilita, a filtrarlo dalle impurità ed eventualmente a refrigerarlo;
• Refrigerazione: ha il compito di provvedere al raffreddamento delle parti fisse e mobili della camera a volume variabile;
• Avviamento: deve trascinare il motore a una velocità di rotazione sufficiente affinché esso possa sostenersi autonomamente e in modo regolare.

Di seguito sono riportati gli elementi caratteristici del motore alternativo:

• Punto morto superiore (PMS): punto in cui lo stantuffo si trova più vicino alla testata del cilindro e punto morto inferiore (PMI): punto in cui lo stantuffo si trova più lontano dalla testata che chiude superiormente il cilindro.
• Alesaggio (D): diametro interno del cilindro in cui scorre lo stantuffo.
• Corsa (C): distanza percorsa dallo stantuffo fra le posizioni di PMS e di PMI. Questa distanza è uguale al doppio del raggio r della manovella:

C = 2r

• Cilindrata unitaria oppure, semplicemente, cilindrata (V): volume generato dallo stantuffo durante la corsa. Data la particolare forma della camera, dentro la quale scorre lo stantuffo, la cilindrata unitaria è espressa da:

V = πD²C / 4

• Cilindrata totale (iV): utilizzata per motori aventi un numero i di cilindri, è data dalla cilindrata unitaria moltiplicata per il numero di cilindri del motore. Nel caso di motore monocilindrico (motore avente un solo cilindro) la cilindrata unitaria coincide naturalmente con quella totale. 9

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• Volume di spazio amorfo (Vm): volume compreso fra la testa e lo stantuffo quando questo si trova al PMS.
• Rapporto volumetrico di compressione (ç): rapporto fra il volume della camera quando lo stantuffo si trova al PMI (V+Vm) e il volume della camera quando lo stantuffo si trova al PMS (Vm).
• Velocità di rotazione dell’albero motore: si tratta di una velocità angolare e può essere misurata in giri al secondo (n) oppure in radianti al secondo (ω).
• Velocità media dello stantuffo (Vm): media delle velocità dello stantuffo durante un giro completo dell’albero motore. Tale media può essere ottenuta da:

Vm = 2nC

Se consideriamo che a ogni giro dell’albero motore lo stantuffo percorre uno spazio che corrisponde a due volte la corsa, oppure da:

Vm = ωC / π

Se teniamo conto della relazione fra la velocità angolare misurata in radianti e la velocità di rotazione misurata in giri al secondo 10

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Motore a quattro tempi

Nei motori a quattro tempi l’involucro esterno è costituito essenzialmente da testata, monoblocco e carter. Nella testata, che chiude superiormente i cilindri, sono alloggiate le candele, le sedi valvole con i condotti di alimentazione e scarico e la maggior parte degli organi che presiedono alla distribuzione. La testata viene per lo più realizzata in lega di alluminio, per le sue caratteristiche di leggerezza e di conducibilità termica, necessaria quest’ultima per smaltire calore dalle zone particolarmente critiche, quali quelle attorno alla candela e alla valvola di scarico. Nel monoblocco, viceversa, sono ricavate le sedi dei cilindri o le pareti laterali dei cilindri stessi. Quest’ultime prendono il nome di canne e formano un pezzo unico col monoblocco (canne integrali) solo quando questo è costituito da una fusione di ghisa. Altrimenti, quando si impiegano leghe leggere, si è costretti a utilizzare canne riportate, perché il materiale di cui è costituito il monoblocco non garantisce quell’elevata durezza superficiale necessaria nelle zone a contatto diretto col moto dello stantuffo. Le canne riportate possono essere suddivise in due categorie:

• In umido, quando sono lambite dall’acqua di raffreddamento e fanno tenuta contro le infiltrazioni di acqua nel cilindro;
• A secco, quando sono situate in un vero e proprio cilindro contenitore ricavato nel monoblocco. In quest’ultimo caso non sussistono problemi di tenuta, ma peggiora la trasmissione di calore fra le pareti dei cilindri e le camicie contenenti l’acqua refrigerante.

Generalmente il monoblocco svolge anche le funzioni di basamento, in quanto comprende anche l’involucro del manovellismo, tramite cui il moto alterno dello stantuffo viene trasformato in moto rotatorio, e i semigusci superiori dei cuscinetti di banco, su cui appoggia l’albero motore. Infine, imbullonato sotto il monoblocco, si trova il carter, costituito da una lamiera di acciaio sagomata, o, in motori di maggior pregio, da un pezzo fuso in lega leggera e alettato. La sua funzione è quella di raccogliere e refrigerare l’olio di lubrificazione che vi arriva per gravità dalle altre parti del motore. 11

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Spaccato di un motore a quattro tempi ad accensione comandata Lancia-Ferrari;

Un altro gruppo di organi è quello che costituisce la catena cinematica. Di esso fanno parte lo stantuffo, l’albero a gomiti e la biella, che serve da collegamento fra i primi due. Lo stantuffo, che generalmente nei motori veloci è in lega leggera, ha la forma di un bicchiere rovesciato. Nel suo interno si trovano delle nervature che hanno il doppio scopo di irrobustire la struttura senza appesantirla eccessivamente e di trasmettere il calore che esso riceve dai gas combusti. La funzione della parte inferiore dello stantuffo è quella di guidarlo nel suo movimento all’interno del cilindro, mentre a quella superiore è affidata la tenuta. A questo scopo sulle pareti laterali sono ricavate delle scanalature, in numero maggiore o uguale a tre, nelle quali trovano posto delle fasce elastiche di tenuta e raschia-olio. Si tratta di segmenti metallici a forma cilindrica, che hanno il compito, quelle superiori, di evitare le fughe di gas dall’interno del cilindro e, quelle inferiori, di raschiare l’olio che si deposita sulle pareti; in tal modo si impedisce all’olio di passare in camera di combustione. L’albero motore o albero a gomiti è composto da una serie di perni lubrificati di cui alcuni trasmettono il moto alle bielle (perni di manovella), mentre altri costituiscono il sostegno dell’albero da parte del monoblocco (perni di banco). 12

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Il collegamento con gli altri organi avviene grazie a un sistema a due semigusci uniti strettamente fra loro da due bulloni, nei quali vengono inseriti dei cuscinetti di materiale metallico antifrizione (bronzine). Per garantire la lubrificazione di tali accoppiamenti si ricorre a una serie di fori praticati all’interno dell’albero motore, attraverso cui l’olio, che arriva ai perni di banco dal monoblocco, può giungere fino ai perni di manovella. Sull’albero a gomiti sono inoltre applicati degli appositi contrappesi, masse eccentriche che hanno la funzione di bilanciare le forze di inerzia generate dal moto alterno degli stantuffi e un volano, posto a una estremità, che regolarizza la velocità angolare dell’albero.