Motore a combustione interna: alternativo e rotativo a confronto

INDICE

PREFAZIONE ......................................................................................................... 1

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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

Peculiarità e campi d’applicazione

2.4 ............................................................. 28

3. MOTORE ROTATIVO .................................................................................. 29

3.1 Struttura ...................................................................................................... 31

3.2 Parametri geometrici e cinematici .............................................................. 36

3.3 Funzionamento ........................................................................................... 41

Peculiarità e campi d’applicazione

3.4 ............................................................. 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

dall’idea di confrontare due tipologie di motori: quello

Questo elaborato nasce

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

del contorno di quest’idea, quindi di

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

sottolineare che il riferimento principale dell’utilizzo di questi

specificato ci tengo a

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

ed un “carattere” percepito differente.

caratteristiche 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

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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

di carburante e comburente (ossigeno dell’aria) viene introdotta

energia: una miscela

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. 2

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

del combustibile.

elettrodi, una scintilla elettrica che permette l’accensione

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

“motori ad iniezione”

aspirazione e scarico, distinguendo, rispettivamente, i 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,

3

quindi, fondamentale in questa parte un adeguato studio degli sforzi