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Motore a quattro tempi

Da Programmazione Software.

Generalità

Con il nome di ciclo motore si indica il complesso delle trasformazioni subìte dalla msicela di aria e benzina all'interno del cilindro e che si ripetono periodicamente o ciclicamente. Riprendendo quanto genericamente già detto, vediamo, più da vicino, come vengono suddivise e come si susseguono le fasi in un motore a scoppio a 4 tempi. Esse portano alla aspirazione della miscela, alla sua compressione, alla accensione ed espansione ed infine allo scarico dei gas combusti che, a ciclo di lavoro compiuto vengono allontanati dal motore per dar modo di rinnovare nell'interno del cilindro il ciclo stesso sopra descritto. Riassumendo: le fasi che compongono il ciclo motore sono quattro e precisamente, nell'ordine di successione:

  • Aspirazione
  • Compressione
  • Accensione ed espansione
  • Scarico


Fasi del motore a quattro tempi

1a FASE - ASPIRAZIONE

Consideriamo (fig. 5) il pistone al PMS ( punto morto superiore ); all'inizio dell'aspirazione il pistone si muove verso il PMI ( punto morto inferiore ), mentre la valvola di aspirazione inizia l'alzata o apertura, mettendo così in comunicazione l'interno del cilindro col carburatore al quale è collegato il collettore di immissione. La valvola di scarico in questa fase rimane chiusa. Nella corsa discendente verso il PMI il pistone, che corre a perfetta tenuta nrl cilindro, provoca un vuoto ( depressione ) tale da richiamare attraverso l'unica apertura che mette in comunicaione il cilindro con l'ambiente esterno, una forte corrente d'aria che, passando attraverso il carburatore si miscela con la benzina che si trova nel carburatore stesso. Il passaggio di miscela dal carburatore al cilindro si effettua per tutta la durata dell'aspirazione ( cioè per tutto il tempo che impiega il pistone a muoversi dal PMS al PMI ) dimodochè al termine della fase il cilindro si trova pieno di miscela. Quando il pistone si trova al PMI, la valvola di aspirazione si chiude.

Aspirazione motore 4 tempi
Compressione motore 4 tempi
2a FASE - COMPRESSIONE

Il pistone alla fine della fase di aspirazione ( fig. 6 ) risale dal PMI al PMS ed inizia la fase di compressione. In questa fase entrambe le valvole sono chiuse. Per effetto della corsa ascendente del pistone, la miscela che al termine della fase di aspirazione occupava tutto il cilindro, viene progressivamente spinta verso l'alto in guisa che, quando il pistone giunge al PMS tutta la miscela viene a trovarsi compressa tra pistone e testata, in quello spazio che viene chiamato camera di scoppio. Affinchè si abbia un'idea della pressione raggiunta dalla miscela compressa, si tenga conto che per motori normali, con rapporti di compressione variabili da 5 a 8, essa raggiunge le 8-10 atmosfere. Si ricorda che un'atmosfera è uguale alla pressione esercitata da circa 1 kg sulla superficie di 1 cm2. Durante questa fase anche la temperatura della miscela aumenta per effetto della compressione raggiungendo, sempre per motori normali, i 250-300 °C. Al termine di questa fase la miscela viene a trovarsi nelle migliori condizioni perchè una scintilla che scocchi nella candela possa rapidamente provocarne l'accensione,. Come conseguenza dello scoppio, si ha un repentino aumento della pressione e una spinta che fa compiere al pistone il lavoro richiesto. Le condizioni ottime di pressione e temperatura, variano col variare della benzina usata per cui, l'aumento del rapporto di compressione ( quindi della pressione e della temperatura raggiunte nella fase di compressione della miscela ottenuta con un dato tipo di benzina ) non può e non deve superare ben determinati limiti senza incorrere in un irregolare funzionamento del motore con una conseguente perdita di potenza.

3a FASE - SCOPPIO ED ESPANSIONE

Giunto il pistone al PMS, al termine della fase di compressione, si effettua, mediante una scintilla scoccante tra gli elettrodidella candela, l'accensione e la combustion repentina della miscela. L'innalzamento di temperatura che ne conseguen ( circa 2000° C ) è tale da creare, nella camera di scoppio, una forte pressione ( 30-35 atmosfere ) e sul pistone, una forte spinta verso il PMI. I gas combusti, espandendosi, diminuiscono di pressione e di temperatura, talchè, giunto il pistone al PMI, hanno trasmesso una parte della energia posseduta all'atto dell'accensione. Evidentemente durante la fase di espansione (fig. 7), dovendosi evitare ogni fuoriuscita di gas dal cilindro per sfruttare il lavoro di espansione, entrambe le valvole di aspirazione e di scarico restano chiuse.

Scoppio motore 4 tempi
Scarico motore 4 tempi
4a FASE - SCARICO

Al termine dell'espansione (fig. 8) il cilindro resta pieno di gas combusti, ormai inerti, che devono essere espulsi dal cilindro stesso. Questa operazione avviene appunto nella fase di scarico, in cui il pistone risalendo dal PMI verso il PMS spinge attraverso la luce di scarico, che contemporaneamente si apre, i gas combusti nell'atmosfera esterna. Quando il pistone ha raggiunto il PMS la valvola di scarico si chiude: ci ritroviamo così col pistone e le valvole nelle condizioni già individuate all'inizio della fase di aspirazione ed il motore è in grado di ripetere periodicamente una sequenza di fasi del tutto uguali a quelle sopra descritte. Poichè ad ogni passaggio del pistone dal PMS al PMI corrisponde un mezzo giro dell'albero a gomiti, l'intero ciclo avviene in due giri dell'albero motore. Da quanto sopra descritto appare subito evidente che, delle quattro fasi svolte nell'interno del cilindro, una sola è attiva (l'espansione) mentre le altre 3 fasi (aspirazione, compressione e scarico) non solo non producono lavoro utile, ma ne assorbono per:


  • vincere l'attrito delle diverse parti in movimento;
  • superare le resistenze che la miscela, aspirata attraverso il carburatore, incontra nel collettore e nel passaggio attraverso la luce di ammissione;
  • effettuare la compressione della miscela;
  • scaricare all'esterno i gas combuti.


Queste tre fasi vengono pertando dette passive, e si cerca, con vari accorgimenti, di ridurne gli effetti passivi. Tempi. - Ogni corsa del pistone ovvero ogni passaggio di esso dal PMS al PMI, cui corrisponde mezzo giro dell'albero motore, si suole anche indicare con la parola tempo; da qui la denominazione di motore a quattro tempi in quanto il ciclo completo avviene appunto in quattro corse o tempi.


Rappresentazione grafica del ciclo motore a quattro tempi

Tracciamo due rette ortogonali tra di loro; sulla verticale (ordinata) portiamo, a partire dal punto di incontro delle medesime, i valori della pressione che si verificano in ogni istante nel cilindro; sulla orizzontale (ascissa) i valori, variabili con la posizione del pistone, del volume occupato dal fluido operante (miscela). Se durante le diverse fasi del ciclo segnamo sulle ascisse le posizioni del pistone (il che è come dire che segnamo i valori del volume occupato dalla miscela) e segnamo per ognuna di dette posizioni, il valore della corrispondente pressione, otterremo una successione di punti che costituiscono la linea comunemente chiamata "diagramma p.v. (pressione-volume) del motore" Riferendoci a quanto precedentemente si è detto circa le varie fasi, vediamo di seguire la tracciatura di questo diagramma e di tradurre in un grafico il susseguirsi delle fasi. Immaginiamo che il pistone si trovi nella posizione estrema di sinistra (PMS) e stia per iniziare la fasi di aspirazione. Poichè in tale fase la valvola di aspirazione è aperta e mette in comunicazione l'ambiente esterno con l'interno del cilindro, possiamo per ora ammettere che la pressione nell'interno del cilindro sia in quel momento pari a quella atmosferica. Tale stato di cose sarà rappresentato nel diagramma dal punto A che si trova in corrispondenza di V0 (volume della camera di scoppio) e di P0 (pressione atmosferica). Continuando il pistone la sua corsa sino al PMI, facendo l'ipotesi che la miscela entri nel cilndro senza difficoltà, possiamo ammettere che durante tutta la corsa, corrispondente alla fase di aspirazione, la pressione rimanga, costante e pari a quella atmosferica. L'andamento della pressione per tutto il tempo della immissione sarà rappresentato dal segmento A-B (fig.9) parallelo all'asse del volumi; si verificherà cioè che in corrispondenza di qualsiasi volume occupato dalla miscela si ha sempre la stessa pressione p0; il segmento V2-V0 rappresenta evidenentemente la cilindrata.


Diagramma aspirazione


Quando il pistone è giunto al PMI, come abbiamo visto, si chiude la valvola di aspirazione, ed il pistone ritornando al PMS effettua la fase di compressione (fig. 10). Facendo anche qui determinate ipotesi, fra cui quella che durante la fase non avvenga scambio di calore fra cilindro e miscela, possiamo immaginare che l'andamento della pressione durante questa fase sia rappresentato dalla curva B-C, dalla quale appare che diminuendo il volume occupato dalla miscela la pressione della medesima aumenta sino ad un massimo P1 in corrispondenza del raggiungimento del PMS da parte del pistone.


Diagramma compressione


Se nel preciso istante in cui il pistone è giunto al PMS si provoca l'accensione della miscela compressa e se supponiamo che la combustione sia istantanea, la pressione dei gas racchiusi nel cilindro crescerà rapidamente prima che il pistone abbia iniziato la corsa in senso discendente (fig. 11).


Diagramma scoppio


Per un unico valore del volume occupato dai gas e precisamente in corrisopndenza del volume V0 della camera di scoppio, la pressione passerà dal valore P1 al valore P2 nel diagramma: tale variazione di pressione è rappresentata quindi dalla retta C-D parallela alle ordinate. Se ora noi permettiamo che i gas racchiusi nel cilindro si espandano agendo sul cielo del pistone sino a che questo non abbia raggiunto il PMI durante, cioè, tutta la fase di espansione, e facciamo anche qui determinate ipotesi semplificative tra cui quella che cilindro e pistone non assorbano calore, possiamo immaginare che l'andamento della pressione, durante questa fase, sia rappresentato dal tratto di curva D-E (fig. 12).


Diagramma scarico


Giunto il pistone al PMI si apre la valvola di scarico e, facendo pure in questo caso ipotesi semplificative (prima fra tutte quella che i gas di scarico fuoriescano dal cilindro senza nessuna difficoltà), la pressione all'istante in cui si apre la valvola di scarico (fermo restando il valore del volume del cilindro) scenderà repentinamente al valore della pressione atmosferica, perchè l'interno del cilindro è stato messo in comunicazione con l'ambiente esterno. Questo stao di cose può essere rappresentato dal segmento E-B (fig. 12). In seguito il pistone retrocederà di nuovo verso il PMS (fase di scarico) ed essendo valide le ipotesi già fatte, la pressione dovrà mantenersi costantemente uguale a quella atmosferica, per cui il suo andamento sarà rappresentato dal segmento B-A, parallelo all'asse delle ascisse e in corrispondenza alla pressione atmosferica P0. La B-A si sovrapporrà quindi al segmento A-B che rappresenta la fase di ammissione. Così abbiamo chiuso il ciclo, per cui, seguendo i concetti sovraesposti, potremo dal punto A ripetere la varie fasi. In realtà quello che abbiamo descritto è un ciclo ideale che mai si può verificare in pratica.