Tesina sui Motori a combustione interna

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,

2T

consentendo teoricamente la produzione di una potenza doppia rispetto a un

analogo motore 4T di pari cilindrata e livello tecnologico. In realtà le peculiarità

costruttive del 2T limitano però ampiamente questo vantaggio sul 4T.

Figura 2.4 Fasi del ciclo a due tempi

Le ultime due classificazioni riguardano il sistema di alimentazione del motore. Il

combustibile può essere immesso grazie ad un carburatore (motori AS) o

attraverso un iniettore che polverizza il combustibile nel condotto d’aspirazione

(motore AS) o direttamente nella camera di combustione (motore AC o motore AS-

iniezione diretta); inoltre in base a come è introdotta l’aria nel motore possiamo

avere motori ad aspirazione naturale o sovralimentati. Nei primi l’aria è prelevata

dall’ambiente a pressione atmosferica, perciò in sede limite la massa d’aria

aspirata nel cilindro sarà pari al volume di questo a p=1 atm, in realtà, a causa

delle perdite fluidodinamiche nei condotti, la massa d’aria effettivamente aspirata

sarà una frazione di quella limite. Nei motori sovralimentati, invece,

l’alimentazione avviene a una pressione p = k p (es. k = 1.8), l’aria aspirata è

atm

cioè compressa in modo da aumentare il coefficiente di riempimento a valori

superiori all’unità; ciò comporta benefici sia a livello di potenza specifica che in

termini di rendimento termodinamico. - 7 -

Schema e nomenclatura del motore alternativo

Nella figura possiamo osservare schematicamente la sezione trasversale di un

tipico motore AS, tuttavia poiché le parti principali sono comuni ai motori AC, lo

schema serve a indicare la nomenclatura per entrambi.

Figura 2.5 schema di motore alternativo secondo l’architettura tradizionale con alberi

della distribuzione, aste e bilancieri

Il cilindro fa parte del blocco o monoblocco come si chiamava, questo fa parte a

sua volta della struttura fondamentale del basamento al quale spesso è unito

mediante bulloni. Nel cilindro scorre lo stantuffo che si muove in moto rettilineo

alternato ed è chiuso nella parte superiore dalla testata o testa. Lo spazio

racchiuso nel cilindro tra testa e stantuffo rappresenta la camera di combustione

nella quale viene bruciata la miscela combustibile-aria immessa attraverso la

valvola di aspirazione (una o più) per i motori AS. Nei motori AS l’inizio della

combustione avviene con lo scoccare della scintilla fra gli elettrodi della candela

mentre negli AC con l’accensione spontanea del combustibile polverizzato

dall’iniettore (nella figura si può immaginare al posto della candela). Lo stantuffo

o munito di anelli di tenuta che impediscono ai gas in espansione di

pistone,

sfuggire, trasmette la spinta ricevuta dai gas, attraverso il perno o spinotto, alla

biella e quindi alla manovella dell’albero a gomiti o La biella e la

albero motore. - 8 -

manovella trasformano il movimento lineare alternato dello stantuffo in

movimento rotatorio dell’albero a gomiti che ruota supportato da cuscinetti di

banco applicati al basamento, questi detti anche bronzine sono divise in due

metà chiamate gusci, ricavate da un tubo di acciaio o di bronzo e rivestite

internamente di metallo antifrizione per sopportare le notevoli forze in gioco. I

prodotti della combustione vengono poi espulsi attraverso la valvola di scarico

(una o più) e il condotto di scarico. Le valvole di aspirazione e scarico sono

azionate dagli organi del sistema di distribuzione.

Questi sono gli organi fondamentali dei motori alternativi tuttavia ve ne sono

diversi altri necessari, trattati più avanti.

Alcuni termini da sapere per poter discutere sui motori endotermici:

- (PMS): posizione del pistone più vicina alla testa;

punto morto superiore

- (PMI): posizione del pistone più lontana dalla testa;

punto morto inferiore

- (bore): diametro interno del cilindro in mm;

alesaggio o diametro

- (stroke): distanza fra PMS e PMI generalmente uguale al doppio del

corsa

raggio di manovella dell’albero a gomiti;

- (V ): volume compreso tra testa e

volume totale del cilindro 1 o litri;

stantuffo quando è al PMI misurato in cm 3

): volume

- (V

volume camera di combustione 2

compreso tra la testa e lo stantuffo quando è al

PMS;

- (V –

cilindrata o volume spostato dallo stantuffo 1

V ): volume generato dallo stantuffo nello

2

spostamento PMS-PMI;

- rapporto fra

rapporto volumetrico di compressione:

volume totale V e volume della camera di

1

, brevemente rapporto di

combustione V 2

compressione. - 9 -

Sistemi di alimentazione motore

Nei motori ad accensione per scintilla il combustibile

può essere iniettato:

- a monte della camera di combustione

: la miscela aria-benzina si forma nel carburatore

Carburatore

dove una strozzatura, in corrispondenza della quale si determina

un’opportuna depressione, determina l’iniezione del carburante

da un apposito foro calibrato nella vena fluida dell’aria. Le fasi

d’iniezione dipendono esclusivamente dalla ciclica depressione

generata dall’apertura delle valvole d’aspirazione. La taratura del

carburatore è (la portata del carburante è dosata da

fissa getti

calibrati), ciò determina condizioni di funzionamento ottimali solo

per determinati carichi, regimi, temperature e quote altimetriche

d’utilizzo, al di fuori delle quali il rendimento diminuisce e le

emissioni inquinanti aumentano.

il carburante s’inietta a istanti

Iniezione indiretta:

definiti da una centralina elettronica (o da un sistema

meccanico) nella vena d’aria a monte della camera di

combustione. In questo modo la sezione utile del

condotto d’aspirazione non viene ridotta, è possibile

variare continuamente il rapporto stechiometrico

aria/carburante ed è possibile ottenere una migliore

1

polverizzazione del getto di carburante rispetto a un

carburatore. Analogamente al carburatore, la corretta

della miscela nella camera di combustione

turbolenza

dipende esclusivamente dal disegno del condotto, delle

valvole, della testa e dello stantuffo.

- nella camera di combustione

in questo caso il carburante è

Iniezione diretta:

iniettato nella camera di combustione

direttamente

all’istante prestabilito, in maniera totalmente svincolata

dall’ammissione dell’aria. In questo modo, oltre ai vantaggi

dell’iniezione indiretta, è possibile anche determinare

condizioni di turbolenza nella camera di combustione

particolarmente favorevoli, con conseguenti benefici in

termini di rendimento termodinamico e riduzione delle

emissioni inquinanti.

I motori ad accensione per compressione sono sempre a iniezione, che può essere

indiretta (a precamera) o diretta. L’iniezione indiretta, che fino agli anni ’90 era

dominante nella trazione leggera (automobili), presenta una maggiore regolarità di

funzionamento e potenza specifica rispetto a quella diretta, ma per contro ha un

minor rendimento. Per questo l’iniezione diretta è rimasta a lungo prerogativa

esclusiva della trazione pesante. - 10 -

Sistema di distribuzione

Il permette nei motori 4T la regolazione delle fasi di lavoro

sistema di distribuzione

attraverso delle valvole, la cui apertura e chiusura è regolata da camme con leggi

ben precise; nel motore 2T la distribuzione avviene generalmente senza la

necessità d’apparati di distribuzione mobili.

G li schemi riportati sopra mettono a confronto il sistema a “aste e bilancieri” rispetto al sistema a

“albero in testa”: l’asta risulta lunga almeno quanto la canna dei cilindri, dato che l’albero a

camme si trova in prossimità dell’albero motore, e le valvole sopra la testata. Tale configurazione

non è adatta per alti regimi di rotazione. Per contro un albero in testa richiede un rimando

cinematico, in genere a cinghia o catena, dal piano dell’albero motore a quello della testata. La

rottura di questi flessibili provoca la rottura di pistoni e valvole.

Circuito di lubrificazione

Il è molto importante per i motori in quanto vi sono organi

circuito di lubrificazione

meccanici in movimento sottoposti a sforzi considerevoli che, muovendosi con

contatto, creano forze di attrito responsabili dell’usura e del riscaldamento dei

componenti; questi necessitano, quindi, di una lubrificazione per diminuire le

forze di attrito dissipatrici di energia e deleterie per il motore stesso. Il

lubrificante, olio minerale o sintetico, attraverso un apposito sistema di condotti e

una pompa, che mette in pressione il circuito, viene distribuito in tutti i punti

dove è necessario creando un velo protettivo che riduce l’attrito, asporta calore e

rende il motore più affidabile e più parco nei consumi. Il lubrificante, dopo aver

assolto alla sua funzione, viene raccolto nella coppa al di sotto del basamento

pronto per rientrare in gioco e in alcuni motori, dopo essere stato raffreddato da

un radiatore apposito.

Circuito di raffreddamento

Durante il funzionamento, in un motore si raggiungono valori di temperatura

compresi tra 1700 e 2500°C, inevitabilmente parte del calore viene trasmesso agli

organi più interni del motore che se non venissero raffreddati raggiungerebbero

temperature tali da compromettere la loro integrità e il corretto funzionamento.

La temperatura massima dei componenti in condizioni di sforzo è di circa 750°C,

il sistema di raffreddamento deve evacuare così dal 20 al 30% del calore prodotto

dalla combustione. Il raffreddamento può avvenire attraverso l’utilizzo di acqua,

- 11 -

con un apposito sistema costituito da una pompa, condotti e uno scambiatore di

calore o radiatore, o da aria che viene forzata da una ventola a passare attraverso

le diverse componenti del motore le cui superfici sono opportunamente alettate.

Figura 2.6 esempio di circuito di raffreddamento ad acqua di un’autovettura

Figura 2.7 esempio di motore con raffreddamento ad aria - 12 -

Sistema d’avviamento

Oltre agli storici metodi d’avviamento a manovella (automobili inizio secolo scorso)

o inerziale (nel motore a si faceva “rimbalzare” il volano in un senso e

testa calda

nell’altro finché si riusciva a vincere la compressione), l’avviamento è

generalmente attuato da un motore elettrico che di solito ingrana su una corona

ricavata sul volano. In alcuni grandi motori navali si utilizza aria compressa