motore

motore a scoppio

MOTORI A QUATTRO TEMPI

Si definiscono motrici endotermiche (o ,macchine a combustione interna quelle macchine termiche nelle quali il calore necessario per ottenere il lavoro meccanico si sviluppa nell'interno della motrice stessa; a questa categoria appartengono i motori alternativi a carburazione (comunemente detti <<a scoppio»), quelli a combustione graduale (o <diesel») e le turbine a gas. Nella sua forma più schematica, un motore alternativo a carburazione (fig. 4&1) è costituito da un cilindro C (o più cilindrì) entro il quale scorre a tenuta uno stantuffo S, il cui moto rettilineo alternato è trasformato in moto rotatorio, pressoché uniforme, da un meccanismo biella-manovella. L'uniformità dei regime di rotazione si consegue - anche se non totalmente - sia con l'aumento dei numero dei cilindri, sia con l'installazione di un opportuno volano che immagazzina energia cinetica nella corsa utile per restituirla nelle seguenti corse passive dello stantuffo. La definizione di «corsa» è già nota; aggiungeremo adesso che con il termine di «cilindrata» si indica i( volume generato dallo stantuffo nel suo moto, mentre con «camera di combustione» si intende il residuo volume esistente fra testata dei cilindro e cielo dello stantuffo quando esso sì trova al punto morto superiore. I motori a combustione interna seguono - più o meno rigorosamente - uno dei cicli termodinamici, descritti nel capitolo 30; vedremo in seguito come' dal cielo Otto derivi il ciclo teorico dei motore. a carburazione, mentre dal ciclo Diesel si perviene- con analoghe modifiche - a quello seguito dai' motori a combustione graduale. Il ciclo può essere. completato in quattro corse dello stantuffo (si parla, allora di motore a quattro tempi o in due sole corse (motore a due tempi); oltre a ciò, può essere attiva solo la camera superiore dei cilindro (motore a semplice effetto) oppure anche quella sottostante (motore a doppio effetto) ottenuta chiudendo la parte inferiore dei cilindro stesso, in modo analogo ali, pompe a stantuffo. Esaminiamo adesso il ciclo teorico che caratterizza il principio di funzionamento di un motore a carburazione a quattro tempi che abbiamo illustrato in fig 48.2: esso non è un ciclo termodinamico, in quanto sull'asse delle ascisse non figurano i volumi specifici dei fluido operante - che peraltro si rinnova , ogni ciclo - ma i volumi generati dallo stantuffo nel suo moto alternato entro il cilindro del motore ,volumi che (per la costanza della sezione dei cilindro) sono proporzionati agli spostamenti dello stantuffo stesso. Il cilindro è provvisto di due valvole: una (V a)pone lo comunicazione con il condotto di alimentazione, attraverso il quale perviene ad esso in quantità dosata di combustibile, preventivamente vaporizzato e miscelato con aria in un organo accessorio detto <carburatore»; l'altra valvola (Vs) mette in comunicazione il cilindro con l'ambiente esterno, ove vengono scaricati i prodotti della combustione, dopo aver esaurito la propria energia di pressione. La combustione della miscela è prodotta, nell'istante dovuto, da un organo infiammatore la cui natura sarà esaminata nel paragrafo 48.4. Il ciclo teorico si completa in quattro corse dello stantuffo, e precisamente:

- Durante la prima corsa (0 -+ 1) lo stantuffo, muovendosi verso il basso, aspira la miscela attraverso la valvola di aspirazione, mentre è chiusa quella di scarico; si suppone che tale aspirazione avvenga a pressione costante (atmosferica).

- Nella corsa di ritorno (1 --> 2), si chiudono ambedue le valvole e la miscela viene compressa adiabaticamente acquistando pressione e temperatura; al termine della corsa avviene la combustione della miscela (2 --> 3), assimilabile ad una trasformazione a volume costante, in virtù della rapidità con cui si sviluppa. La pressione si innalza fortemente ed i gas combusti esercitano una forte spinta sullo stantuffo.

- Nella terza corsa (3 --> 4), permangono chiuse le valvole e io stantuffo si muove in virtù della spinta dei prodotti della combustione che si espandono entro Il cilindro In una trasformazione adiabatica; ai termine della corsa, si apre istantaneamente la valvola di scarico e la pressione subisce una improvvisa diminuzione per la fuoriuscita di una parte dei gas combusti (4 --> 1).

- Nella quarta corsa, infine (1 ->0), si ottiene la completa espulsione dei prodotti residui attraverso la valvola di scarico che rimane aperta per tutta questa fase, che si suppone avvenga anch'essa a pressione atmosferica.

Il ciclo è così concluso ed il cilindro è pronto per ricevere altra miscela.

In definitiva, tra il ciclo termodinamico Otto e quello teorico dei motore a scoppio «4 T» sussiste, come unica variante, la presenza in quest'ultimo delle fasi di aspirazione (0 --> 1) e di scarico (1 --> 0), le quali però - per le ipotesi fatte - non apportano sensibili variazioni all'entità dei lavoro prodotto in quanto coincidenti ma percorse in senso opposto.

Il lavoro teoricamente sviluppato coincide quindi con quello dei ciclo Otto e ne coincide anche il rendimento, espresso dalla relazione: Per elevare il rendimento dei motore, si può aumentare il rapporto di compressione (cfr. par. 30.3) diminuendo così il valore della frazione.

Tale aumento - almeno nei motori a carburazione - non può superare però certi limiti imposti dalla pratica; è facile rendersi conto infatti che, comprimendo entro un cilindro una miscela combustibile, essa aumenta la propria temperatura fino a raggiungere, se la compressione è molto spinta, quella

corrispondente all'accensione spontanea.

Potrebbe così accadere, con rapporti di compressione troppo elevati, che l'accensione avvenga molto prima dei punto morto superiore, provocando un funzionamento difettoso e pericolosi contraccolpi sulle masse mobili; il fenomeno dell'accensione anticipata per effetto di un alto valore di «r» viene definito «detonazione».

Per questi motivi, nei motori di tipo più comune, il rapporto di compressione oscilla fra 6,5 e 9, salvo raggiungere in alcuni casi (motori da competizione), e con l'impiego di combustibili speciali, valori intorno a 10 -- 12.

I combustibili che manifestano scarsa predisposizione a detonare per effetto della compressione si definiscono <indetonanti» ( benzolo, alcool metilico, alcool etilico ecc.) ma il loro impiego è sconsigliato da altre caratteristiche sfavorevole al buon funzionamento dei motore (alto peso specifico, basso potere calorifico, depositi incrostanti ecc.). Comunemente vengono impiegate le benzine (cfr. par. 27.1) che, grazie all'alto potere volatilizzante, consentono una buona premiscelazione con l'aria comburente sotto l'azione di una piccola depressione. Per poter elevare li rapporto di compressione, queste vengono miscelate con combustibili indetonanti (benzina-benzolo, benzina-benzolol--alcool), oppure additivate con particolari sostanze che ne attenuano la tendenza alla detonazione. il ciclo termico reale - quale Potrebbe essere direttamente rilevato da un indicatore installato sul cilindro - non coincide con quello teorico che abbiamo descritto, per il quale avevamo introdotto diverse ipotesi semplificative. In realtà si manifestano le seguenti discordanze:

a) la fase di aspirazione non avviene alla pressione

atmosferica, ma ad una pressione leggermente infe-

riore, essendo conseguente alla depressione prodotta dal moto dello stantuffo;

b) analogamente, la fase di scarico avviene ad una pressione lievemente superiore a quella atmosferica, poiché i gas combustibili sono «spinti,> verso l'esterno

dall'azione premente dello stantuffo. Ne consegue che le due trasformazioni non risultano coincidenti, ma distinte e costituiscono, nel loro insieme, un piccolo ciclo termico percorso in senso antiorario, con assorbimento di lavoro dall'esterno; tale lavoro deve essere detratto da quello utile prodotto dal motore (fig. 48.3);

e) la fase di espansione e quella di compressione - che avevamo supposto adiabatiche - sono in realtà delle politropiche, ad esponente tanto minore quanto più grande è la cessione di calore all'esterno durante il loro svolgimento. ~: bene far presente che, oltre all'impossíbffità di realizzare l'adiabatica, la sottrazione di calore viene volutamente accresciuta - con i dispositivi dì refrigerazione - per mantenere la temperatura dei motore entro limiti tollerabili;

d) la fase di combustione non è istantantea, ma richiede per il suo svolgimento un intervallo di tempo, seppur brevissimo, poiché, iniziatasi nelle immediate vicinanze dell'organo infiammatore, si propaga ad alta velocità fino ai punti più lontani della camera di combustione; la relativa trasformazione avviene perciò a volume crescente conseguendo un minor incremento sia di pressione che di temperatura.

e) oltre a quanto esposto, occorre tener presente t'effetto di strozzamento subito dal fluido nell'attraversamento delle valvole e l'inerzia di queste all'apertura ed alla chiusura; il cielo indicato (reale) assume in definitiva t'aspetto di fig. 48.3, e produce un lavoro minore di quello previsto dal ciclo teorico.

MOTORI A DUE TEMPI

Un motore aiternativo viene classificato «a due tempi» quando compìe il ciclo termico in due sole corse di stantuffo, equivalenti ad un giro dell'albero principale; esso rappresenta quindi una semplificazione dei motore a quattro tempi, essendo capace - per le ipotesi fatte - di produrre teoricamente una potenza doppia di quest'ultimo, a parità di altre caratteristiche.

Da un esame dei ciclo teorico dei quattro tempi riportato in fig. 48.2 ci si rende conto come per ottenere lo stesso lavoro (e quindi un cielo della stessa conformazione) eliminando due corse di stantuffo, sia necessario abolire le due trasforma zioni o--> 1 e 1 -->0 che avevamo supposte coincidenti.

ll chiaro che, operando in tal senso, le due fasi di aspirazione e di scarico non possono verìficarsì con la semplicità dei quattro tempi: io scarico infatti non puo più avvenire sotto la spinta dei pistone in moto verso l'alto, né può ottenersi l'aspìrazione in seguito alla depressione conseguente al moto di ritorno dei pistone stesso.

La miscela deve pertanto penetrare «spontaneamente» nel cilindro in virtù di una leggera pressione (di poco superiore a quella atmosferica) ad essa conferita da un organo esterno; si raggiunge così anche lo scopo dì espellere quasi totalmente - sotto la spinta della miscela entrante - i residui gas della combustìone, completando anche la fase di scarico. Le fasi di aspirazione e di scarico, in un motore a due tempi, risultano così parzialmente sovrapposte e nel loro complesso costituiscono la «fase di lavaggio»; l'organo meccanico che, con la sua azione di compressione, consente lo svolgimento di questa delìcatissima, fase viene definito «pompa di lavaggio».

Nei piccoli motori a due tempi (per lo più monocilindrici), la pompa di lavaggio è costituita dal carter stesso del motore che è a perfetta tenuta, mentre nei grandi motori si preferìsce installare, all'estremità dell'albero, un cilindro-pompa la cui funzione è di alimentare i cilindri motori. a) Motori con aspirazione dal carter

Sono di costruzione semplicissima perché le valvole di aspirazione e di scarico sono sostituite da apposite ferit oie, di forma allungata, praticate nelle pareti dei cilindro e dette <<luci».

Le lucì di aspirazione sono più basse di quelle di scarico e comunicano con il carter il quale, a sua volta, può essere messo in comunicazione con il carburante (cfr. par. 48.5) mediante altre luci.

L'apertura e la chiusura delle feritoie viene effettuata direttamente dallo stantuffo nel suo movimento alternato; esso si comporta, in definìtiva, come il cassetto cilindrico di una macchina a vapore, dìstribuendo la miscela o i gas combustibili alle varie destinazioni.