Motori a combustione interna - Tesina

By Tavernise Vincenzo 5°AM

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, sopratutto

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: 2

. C

V=πD

4

-Cilindrata totale(iV):utilizzata per motori avente 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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II 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.Solitamente è costituito in acciaio forgiato, ma talvolta può venire

impiegata anche la ghisa.Degli stessi materiali è costituita anche la biella,che è

collegata allo stantuffo tramite un apposito perno tubolare in acciaio cementato, detto

spinotto.Tramite cinghie o ingranaggi collegati all'albero motore vengono trascinati in

rotazione un gran numero di organi accessori. Essi vanno dalla pompa del carburante, nel

caso sia a comando meccanico, alla pompa dell'acqua di raffreddamento o al ventilatore,

per arrivare fino alla pompa dell'olio.Collegati all'albero motore sono anche la dinamo, o

l'alternatore, che ricaricano in continuazione la batteria, lo spinterogeno e l'albero a

camme che si occupano rispettivamente dell'accensione e della distribuzione. Abbiamo

poi il filtro dell'aria, il carburatore o l'apparato di iniezione, il collettore di aspirazione e

infine il filtro dell'olio. 13

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Il ciclo utile di un motore a quattro tempi richiede due giri

dell'albero motore, mentre per il ciclo utile del motore a due

tempi occorre un solo giro dell'albero motore.Nella testata

dei motori a quattro tempi vengono alloggiate almeno due

valvole che permettono il ricambio dei gas presenti

all'interno del cilindro.Da una valvola (valvola di scarico)

fuoriescono i gas combusti, mentre dall'altra (valvola di

aspirazione) entra la carica fresca.II ciclo di lavoro che

caratterizza il funzionamento del motore a quattro tempi è

composto da:

1°Fase (Aspirazione): lo stantuffo scendendo genera un

volume che viene riempito dalla carica fresca, entrata nel

cilindro attraverso la valvola di aspirazione A;

2°Fase (Compressione): lo stantuffo risalendo, a valvole

chiuse, comprime la carica entro la camera di

combustione;

3°Fase (Combustione): o spontaneamente, grazie alle elevate

pressioni e temperature raggiunte, o artificialmente, mediante

una scintilla che scocca fra due elettrodi, poco prima del

punto morto superiore (PMS) i gas incominciano a bruciare.

La combustione termina quando lo stantuffo sta già

scendendo;

4°Fase (Espansione): i gas combusti fanno scendere verso il

basso lo stantuffo;

5°Fase (Scarico spontaneo): la valvola di scarico S si apre

con un certo anticipo rispetto alla fine della corsa di

espansione, per permettere ai gas che sono in pressione di

fuoriuscire dal cilindro;

6°Fase (Espulsione): salendo nuovamente lo stantuffo espelle

i gas combusti che ancora erano rimasti all'interno del

cilindro. 14

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NB. Per fase si intende ogni trasformazione chimico-fisica che interessa miscela aria-

combustibile,mentre per tempo si intende la corsa da punto morto superiore a punto

morto inferiore e viceversa.

Il motore a quattro tempi ha il vantaggio del basso consumo di combustibile in quanto le