Tesina sui Motori a combustione interna

Frizziero Diego

di a

Classe 5 AS

A.S.2012/2013

Liceo Scientifico Tecnologico Leonardo Da Vinci – Carate Brianza

Indice

Introduzione ………………………………………………………………………………………………. 2

I motori termici ………………………………………………………………………………………….. 3

Campi d’applicazione e peculiarità ………………………………….……………………. 4

I motori alternativi ……………………………………………………………………………..……… 5

Gli elementi principali che compongono un motore alternativo …………. 5

Prima classificazione dei motori alternativi ..………………………………….……. 6

Schema e nomenclatura del motore alternativo ……………………………….… 8

Sistemi di alimentazione motore …………………………………………………….……. 10

Sistema di distribuzione ……………………………………………………………………….. 11

Circuito di lubrificazione ………………………………………………………………………… 11

Circuito di raffreddamento ……………………………………………………………………. 11

Sistema d’avviamento …………………………………………………………………………… 13

Volano ……………………………………………………………………………………………………. 13

Motori dal punto di vista termodinamico ………………………………………………….. 14

Nozioni fondamentali ……………………………………………………………………………..14

Ciclo Otto ………………………………………………………………………………………………. 15

Ciclo Diesel ……………………………………………………………………………………………. 16

Bilancio termico …………………………………………………………………………………….. 16

Altri tipi di motore endotermico ………………………………………………………………… 18

Motori rotativi ………………………………………………………………………………………… 18

Turbina …………………………………………………………………………………………. 18

Motore Wankel …………………………………………………………………………….. 19

Motore a reazione …………………………………………………………………………………. 22

Razzo ……………………………………………………………………………………………. 22

Motore a getto ……………………………………………………………………………… 23

Combustibili ……………………………………………………………………………………………….. 24

Dal petrolio ai prodotti raffinati ……………………………………………………………. 24

Carburanti e combustibili ……………………………………………………………………… 26

Benzina e numero di ottano …………………………………………………………………. 27

Additivi per benzine ………………………………………………………………………………. 27

Gasolio e numero di cetano ………………………………………………………………..… 28

Combustibili alternativi …………………………………………………………………………. 28

Combustione e rapporto stechiometrico ………………………………………………. 29

Fluido operante come causa di inquinamento atmosferico ……………………… 30

Curiosità sui motori ……………………………………………………………………………………. 32

Motore ad antimateria …………………………………………………………………………… 32

Il più grande motore al mondo ……………………………………………………………… 34

Italia e motori ………………………………………………………………………………………… 37

La Lancia Delta S4 ………………………………………………………………………. 37

Ferrari LaFerrari …………………………………………………………………………… 38

Bibliografia e sitografia………………………………………………………………………………. 40

- 1 -

Introduzione

Dalla notte dei tempi l’energia muscolare animale o umana e in minima parte

quella idrica sono state le uniche fonti che l’uomo poteva sfruttare per compiere

lavoro; con le diverse tecniche acquisite con il tempo, però, l’uomo è riuscito a

utilizzare altre fonti energetiche e a costruire dei dispositivi in grado di

trasformare l’energia e compiere lavoro al suo posto: le macchine.

All’inizio molto rudimentali, le macchine con il grande progresso tecnico iniziato

nel 19° secolo e continuato successivamente sono ora molto complesse e raffinate

in grado di essere utilizzate in una vastità d’impieghi diversi.

In ogni macchina vi è un elemento fondamentale senza il quale questa è inutile: il

motore. Esistono moltissimi tipi diversi di motori con caratteristiche che li

rendono più o meno adatti a un campo applicativo: è impossibile ora dilungarsi

nel descrivere tutti i diversi tipi esistenti, diciamo così che esistono due grandi

famiglie: quella dei motori elettrici e quella dei motori chimici entrambe con una

grande varietà di sottocategorie.

In questo saggio l’attenzione è in particolare rivolta ai motori termici a

combustione interna utilizzati per la maggior parte nei veicoli.

- 2 -

I motori termici

I sono macchine che hanno lo scopo di trasformare l’energia

motori termici

termica in energia meccanica direttamente utilizzabile.

L’energia termica può provenire da diverse fonti primarie: combustibili di varia

origine, energia elettrica, energia solare, energia nucleare; nel caso dei motori

endotermici questa deriva dalla combustione di combustibili liquidi o, più

raramente gassosi. Si può dunque dire che i motori termici trasformano l’energia

chimica dei combustibili in energia meccanica ossia in lavoro utile.

Il lavoro utile è compiuto da organi in movimento alternato, da giranti in

movimento rotatorio, oppure anche dalla spinta fornita da un getto di gas:

abbiamo così la classificazione dei motori in motori alternativi, rotativi (comprese

le turbine) e a getto. Figura 1 motori a combustione esterna

Figura 1.1 motori a combustione interna o endotermici

Il movimento degli organi è generato da un fluido chiamato fluido operante che

compie lavoro attraverso variazioni di pressione e di volume conseguenti al calore

generato dalla combustione. - 3 -

I motori termici si definiscono a quando questa avviene al di

combustione esterna

fuori del fluido operante, ad esempio nei motori a vapore e Stirling il calore è

trasmesso al fluido attraverso le pareti di una caldaia o scambiatore (figura 1),

mentre si definiscono a o quando la combustione

combustione interna endotermici

avviene nel fluido stesso che contiene inizialmente la miscela necessaria di

combustibile e comburente e dopo la reazione, i prodotti di questa (figura 1.1). Il

vantaggio dei motori endotermici sta nella loro compattezza, infatti, viene eliminata

la caldaia ma lo svantaggio sta nel fatto che, essendo la combustione interna al

cilindro, è necessario l’utilizzo di un combustibile pregiato in modo da evitare il

deterioramento delle parti meccaniche. L’aria riceve il calore della combustione

raggiungendo una temperatura elevata e fuoriesce a temperatura più bassa, il

lavoro prodotto è dato dalla differenza tra il calore prodotto nella combustione Q1 e

il calore ceduto all’ambiente Q2, cioè L=Q1-Q2. L’ossigeno ossia il comburente è

fornito dall’aria ma se si esce dall’atmosfera vi è l’inconveniente che oltre al

combustibile bisogna portare a bordo del veicolo il comburente.

Campi d’applicazione e peculiarità

I motori a combustione interna hanno un vastissimo campo d’applicazione in

virtù dell’estrema modularità dell’architettura costruttiva: possibilità di

moltiplicare la potenza aumentando il numero di cilindri, adattabilità ai vincoli

geometrici esterni, basso rapporto peso/potenza, etc. Gli impieghi tipici sono

dunque la trazione stradale leggera (auto-motoveicoli), trazione ferroviaria,

trazione stradale pesante (trasporto merci su gomma), produzione stazionaria di

potenza (a es. gruppi elettrogeni da 1 KW a 20 MW), propulsione navale e

propulsione aeronautica. Le caratteristiche che ne determinano il grande

successo sono in generale:

Compattezza

Il motore contiene al suo interno tutti gli organi necessari per il suo

funzionamento, inoltre non ha bisogno della caldaia o del generatore di vapore.

Semplicità nella regolazione.

Infatti in un m.c.i. si può agire sia sulla

coppia motrice che sul numero di giri.

Ad esempio nella figura a lato le due curve

di coppia motrice di un’auto M e M sono

m1 m2

relative a due diverse posizioni dell’acceleratore;

immaginando di mantenere il rapporto di

trasmissione costante (ad es. viaggiando in

quinta marcia) si può variare la velocità dell’auto

trovando due distinte posizioni d’equilibrio

sulla curva del momento resistente2 (che può

essere quello tipico della resistenza aerodinamica),

n1 e n2, semplicemente sull’acceleratore.

pigiando

Adattabilità alle varie applicazioni.

Il m.c.i. si presta ad avere le architetture più varie, con le disposizioni dei cilindri

a V, in linea, a stella. - 4 -

I motori alternativi

Gli elementi principali che compongono un motore alternativo

Il motore a combustione interna si compone di un all’interno del quale

cilindro

scorre un in moto alterno. Il movimento alternativo del pistone fa variare

pistone

opportunamente il volume della camera di combustione.

Figure 2 - 2.1 Volumi caratteristici del cilindro

Tramite un giunto (spinotto) il pistone è collegato al complesso biella-manovella-

albero a formare il manovellismo ordinario centrato.

Figura 2.2 manovellismo ordinario centrato

I motori alternativi trasformano così il moto alternato degli organi interni che lo

compongono in un moto rotatorio.

Il problema principale di questo cinematismo è dato dalla presenza di forze

d’inerzia dovute al moto alterno dello stantuffo, del moto rotante della manovella

e del moto della biella, che rendono il sistema non equilibrato; i motori

misto

rotativi sono, invece, di per sé molto più equilibrati. - 5 -

Prima classificazione dei motori alternativi

I diversi motori alternativi esistenti possono essere classificati in vari modi:

1. a seconda del sistema di accensione del combustibile (classificazione

fondamentale):

- motori ad accensione per scintilla (AS)

- motori ad accensione per compressione (AC)

2. a seconda del ciclo operativo in:

- motori a quattro tempi

- motori a due tempi

3. a seconda del sistema di immissione del combustibile in:

- motori a carburazione

- motori a iniezione

4. a seconda del sistema di alimentazione in:

-motori ad aspirazione naturale

- motori sovralimentati

Dalla prima classificazione abbiamo la definizione delle due famiglie più grandi di

motori alternativi, AS e AC.

Nei motori ad accensione comandata (AS) è introdotta una miscela già dosata

d’aria e combustibile (benzina, gpl, metano, alcool, in futuro idrogeno, ecc); un

sistema d’accensione (con una o più candele) innesca la combustione, la quale si

propaga con un a velocità nell’ordine dei 15 m/s. Per una buona

fronte di fiamma

efficienza del motore è opportuno che aria e benzina siano miscelate in rapporto

stechiometrico.

Nei motori ad accensione spontanea (AC) s’immette il combustibile (gasolio)

attraverso un iniettore (o più) nella camera di combustione, contenente aria pura

a determinate condizioni di pressione e temperatura tali da innescare

la combustione. Esistono anche motori ibridi che possono

spontaneamente

funzionare sia a benzina sia a gasolio (ad es. per impieghi militari).

La seconda classificazione riguarda il periodo del ciclo, 2 o 4 tempi.

Nei motori il ciclo di funzionamento (aspirazione, compressione, combustione

4T

ed espansione, scarico) avviene ogni due giri di manovella: in un quarto del ciclo

(fase d’espansione) si ha produzione di lavoro, mentre per tre quarti del ciclo il

motore funziona da pompa assorbendo lavoro passivo.

Figura 2.3 Fasi del ciclo a quattro tempi - 6 -

Nei motori il ciclo di funzionamento avviene in un solo giro di manovella,