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Motore a scoppio

Da Programmazione Software.

Principio di funzionamento e principali organi costitutivi

Nei motori endotermici e quindi, nel nostro caso specifico, nei motori a scoppio, l'energia termica è sviluppata dalla combustione della miscela carburante-aria che provoca un aumento di energia elastica degli stessi prodotti della combustione che agiscono direttamente sugli organi del motore trasformandola in energia meccanica. Il motore a scoppio quindi nelle sue linee generali dovrà rappresentare la possibilità di alimentare una camera di combustione ( o di scoppio ), di provocare la combustione della miscela aria carburante e di trasformare l'energia elastica o di pressione dei gas combusti, ( agente a intermittenza in quanto la combustione avviene per quantità parziali di miscela ), in energia meccanica, con moto rotatorio in quanto questa è la forma che più facilmente si può sfruttare per la necessità della trazione. Nel motore a scoppio quindi potremo individuare:


  1. un sistema di alimentazione e distribuzione che fornisce la miscela carburante-aria in dosi appropriate e la distribuisce a tempo debito;
  2. un sistema di accensione che provoca la combustione della miscela;
  3. una camera di combustione o di scoppio in cui avviene la combustione;
  4. un sistema meccanico che sia atto a ricevere l'energia elastica dei gas a moto rettilineo ed a trasformarla in energia meccanica a moto rotativo;
  5. un sistema di scarico che allontani i gas combusti che hanno ceduto parte della loro energia elastica e permetta quindi di rinnovare nel motore le fasi anzidette. Per chiarezza di esposizione, giacchè il sistema meccanico ( indicato al punto 4 ) è quello che si mantiene pressochè costante, nelle sue linee generali in tutti i motori, è opportuno fin d'ora, descrivere la costituzione ed il funzionamento. Esso è denominato sistema biella-manovella


Sistema biella manovella

Tale sistema è composto di uno stantuffo o pistone che scorre linearmente entro un cilindro, essendo articolato ad una asta rigida, biella, che a sua volta è collegata alla manovella ( fig. 1 ). Lo spostamento del pistone, provocato dalla pressione dei gas nella camera di scoppio, determina, come appare chiaramente in figura, una rotazione dell'albero a gomiti. Tale rotazione cesserebbe al punto morto inferiore se l'inerzia del sistema non facesse continuare nella sua rotazione l'albero a gomiti e non riportasse il pistone al punto morto superiore, cioè in posizione tale da poter ricominciare, spinto dai gas combusti, la sua discesa verso il basso. Come vedremo in seguito, tale rappresentazione è un pò semplificata; per il momento basta però a spiegare la trasformazione del moto alternato ( tale si chiama il moto di andare e venire del pistone ) in moto rotatorio. Abbiamo innanzi accennato a due particolari posizioni del pistone: il punto morto superiore ( che indicheremo in seguito PMS ) e punto morto inferiore ( che indicheremo con PMI ). Tale denominazione deriva dal fatto che il pistone, giunto al termine della sua corsa di discesa o salita, prima di invertire il moto per risalire ( o discendere ) lungo la canna del cilindro, è per un brevissimo tempo fermo ( morto ): la specificazione inferiore o superiore sta ad indicare rispettivamente la posizione del pistone più vicina all'asse geometrico dell'albero a gomiti e la più lontana, Spesso si usa dare tale denominazione anche alla posizione della manovella, la quale si troverà nel PMI quando sarà dalla parte opposta a quella del pistone rispetto all'asse dell'albero a gomiti e si troverà nel PMS quando sarà dal lato del pistone rispetto all'asse dell'abero a gomiti: queste posizioni della manovella sono rigidamente collegate a quelle del pistone.


Figura 1
  1. Albero ad eccentrici.
  2. Punteria.
  3. Dado registrazione punteria.
  4. Molla richiamo valvola.
  5. Guidavalvola.
  6. Valvola.
  7. Candela.
  8. Testa.
  9. Corpo cilindri (monoblocco).
  10. Anelli elastici di tenuta.
  11. Anello elastico raschiaolio.
  12. Stantuffo o pistone.
  13. Spinotto.
  14. Bottone di manovella.
  15. Manovella.
  16. Perno di manovella.
  17. Coppa o carter.
Motore a scoppio 4 tempi


Indici caratteristici

E' bene già in questa fase introduttiva definire e specificare l'importanza di alcuni indici che classificano il sistema biella manovella.

Corsa del pistone (c) - E' la misura dello spostamento del pistone dal PMS al PMI: tale lunghezza è usualmente espressa in millimetri ed è uguale al doppio della eccentricità del perno di manovella o pari al diametro descritto dall'asse del perno di manovella del suo moto circolare ( vedi fig. 2 ).

Alesaggio del cilindro (d) - E' il diamtro del cilindro entro cui scorre il pistone; tale diametro è di norma dato in millimetri.

Cilindrata unitaria (q) - E' il volume generato dal pistone nel suo movimento dal PMS al PMI. Il valore della cilindrata viene espressa in centimetri cubi (cmq) o in litri (l) ed è pari all'area della base del cilindro moltiplicata per la corsa, ossia:


<math>q = \frac{\pi}{4} d^2 \frac{c}{1.000} = 0,785 \frac{d^2 c}{1.000}</math>


cmq se espressa in cmq, oppure:


<math>q = \frac{\pi}{4} d^2 \frac{c}{1.000.000} = 0,785 \frac{d^2 c}{1.000.000}</math>


se espressa in litri.


Sistema Biella Manovella


Rapporto di compressione - Il rapporto di compressione è dato dal rapporto tra la cilindrata unitaria ( volume generato dal pistone nel suo moto ) più il volume della camera di scoppio e il volume della camera di scoppio. In formula:


<math>R = \frac{q+V}{V}</math>


in cui V è il volume della camera di scoppio. Per quanto riguarda il rendimento del motore, il rapporto di compressione dovrebbe essere il più alto possibile; il rendimento termico cresce infatti con la compressione che innalza la temperatura prima dell'accensione, riduce il volume di accensione ( percorso dalla fiamma ) e la superficie esterna di raffreddamento, oltre che l'effetto nocivo dei residui dei gas combusti. Il rapporto di compressione non può essere spinto oltre un certo limite onde evitare il fenomeno della detonazione assai nocivo, fra l'altro, per le vibrazioni che comporta. Rapporto corsa-alesaggio - un rapporto geometrico che sta già ad individuare le caratteristiche di un motore e lo classifica, è il rapporto corsa/alesaggio. Tale rapporto si suole indicare con la leggera greca λ ed è rappresentato da un numero puro, cioè senza dimensioni. Questo rapporto nelle costruizoni normali varia da 1 a 1,5; più precisamente si hanno i valori più alti del rapporto per i motori cos' detti lunghi ( normalmente a basso regime di giri ) e i valori più bassi per i motori ad alto regime di giri sino a raggiungere il valore 1 nei motori spinti più moderni, in quei motori così chiamati "quadrati", ( termine che significia che la corsa è uguale all'alesaggio ). La tecnica moderna dei motori da corsa e dei motori d'aviazione porta questo rapporto a valori minori di 1 ( 0,95 ) e si hanno allora i motori cosiddetti "super quadrati" o "rettangolari". E' evidente che la medesima cilindrata unitaria può essere ottenuta con un diverso valore di λ ed è pure evidente che il comportamento dei due motori, aventi la stessa cilindrata, deve differenziarsi per i diversi valori di questo coefficiente. Infatti, ammesso che due motori abbiano lo stesso numero di giri e il primo abbia una corsa pari a una volta e mezzo l'alesaggio e il secondo abbia un valore λ=1 (cioè, una corsa pari all'alesaggio ) poichè, mentre il pistone scende dal PMS al PMI, l'albero a gomiti ha percorso un mezzo giro, è evidente che la velocità con la quale il pistone si muove è maggiore nel primo motore ( dove il pistone ha dovuto percorrere nello stesso tempo uno spazio maggiore ) che nel secondo; ne deriva quindi che l'usura, proporzionale alla velocità di scorrimento del pistone nel cilindro, sarà maggiore nel primo che nel secondo motore. Accanto a questa considerazione, diremo così, economica in quanto influisce sulla durata del motore, si deve fare una considerazione di rendimento del motore, E' infatti noto che il rendimento totale del motore è in funzione dei rendimenti meccanici e termici; si avrà quindi, per i motivi sopra accennati un rendimento totale diverso. D'altra parte, poichè la superficie con cui vengono a contatto i gas combusti durante l'espansione è variabile da motore a motore a seconda dei valori λ, acnhe il rendimento termodinamico varia poichè si ha un diverso scambio di calore con l'esterno. I valori normalmente usati nella costruzione di motori di serie e per normali impieghi, si aggirano sul valore λ=1,2. Dobbiamo inoltre notare che con valori di λ più bassi le sollecitazioni meccaniche crescono e quindi, se si vuole mantenere il rapporto peso/potenza entro limiti determinati, è necessario ricorrere all'impiego di materiali speciali che aumentano il costo della costruzione e che pertanto sono ammessi solo in costruzioni particolari.

Rapporto biella/corsa - Altro indice costruttivo caratteristico è il rapporto biella/corsa, indicato normalmente con la lettera greca Ω: esso è espresso dal rapporto dell'interasse tra piede e testa di biella e il doppio dell'interesse tra perno di banco e perno di manovella. I valori entro i quali esso può variare sono compresi tra 1,5 e 2,2. I valori più bassi comportano notevoli spinte laterali del pistone sulle pareti del cilindro con il conseguente aumento di perdite per attrito, ovalizzazione delle canne e quindi minore durata del motore. Per conto una biella corta dà la possibilità di eseguire una costruzione più leggera per le ridotte dimensioni e perchè le sollecitazioni che si generano su di essa non minori che non nel caso di biella lunga ( carico di punta ). Nella normalità il valore del rapporto Ω si avvicina a 1,8.

Potenza - E' noto che la potenza rappresenta il lavoro compiuto nell'unità di tempo; è noto inoltre che si compie un "lavoro" quando si sposta il punto di applicazione di una forza in una direzione qualsiasi che non sia normale alla direzione della forza stessa. Nel caso particolare di un motore la forza è rappresentata dalla pressione media esercitata dai prodotti della combustione sulla faccia superiore del pistone, mentre lo spostamento è rappresentato dalla corsa del pistone: ossia, in formule:


<math>L = F \cdot s = P_m \cdot \frac{\pi d^2}{4} \cdot c = P_m \cdot q</math>


in qui q è la cilindrata unitaria, d rappresenta l'alesaggio del cilindro e b rappresenta la corsa. Ma in un "motore a 4 tempi", delle 4 corse che compie lo stantuffo nell'interno di un cilindro ( pari a 2 giri dell'albero motore ), solo una è utile; per cui indicando con V la cilindrata totale in cmq, con P la pressione media in Kb/cm*cm e con n il numero di giri che il motore compie al minuto ( 60 secondi ), si ha che la "potenza indicata (N)" espressa in Kgm/sec. ) sarà:


<math>N_i = \frac{V \cdot P_m}{100} \cdot \frac{n}{2 \cdot 60} = \frac{V \cdot P_m}{200} \cdot \frac{n}{60}</math>


Dividendo il tutto per 75, otterremo la potenza in CV. Se si esprime la cilindrata in litri mantenendo la pressione in Kg/cm*cm, con semplice calcolo si ha:


<math>N_i = \frac{1.000 \cdot V \cdot P_m}{200} \cdot \frac{n}{60 \cdot 75} = \frac{5 \cdot V \cdot P_m \cdot n}{60 \cdot 75} = \frac{V \cdot P_m \cdot n}{900}</math>


Per un "motore a 2 tempi" ( in ogni giro vi è la corsa utile ) la formula della potenza si modifica:


<math>N_i = \frac{V \cdot P_m \cdot n}{450}</math>


Questa però è la potenza indicata; desiderando la potenza effettiva occorre considerare che si ha una certa perdita di potenza per l'attrito dello stantuffo e dei cuscinetti, per il movimento degli organi ausiliari del motore, ecc. La potenza effettiva (Ne) si può perciò ritenere circa l'80% della Ni per cui


<math>N_e = 0,80 \cdot N_i</math>


Coppia motrice.Sappiamo che una "Coppia" è un sistema di forze formato da due forze uguali, parallele e dirette in senso opposto, il cui effetto è quello di produrre la rotazione del corpo al quale la coppia è applicata. La distanz adelle due forze si chiama "braccio". Il "momento di una coppia" è dato dal prodotto del suo braccio per l'intensità di una delle due forze; l'unità di misura è , ovviamente, il Kgm. Per ricavare il valore della "coppia motrice" di un motore, occorre risalire alla spinta che si ha sul cielo dello stantuffo durante la fase di espansione. Questa spinta si suddivide in due componenti ( fig. 3 ): S1 diretta lungo la biella e S2 perpendicolare all'asse dello stantuffo ( questa è la forza che produce l'ovalizzazione del cilindro ). Il prodotto dell'intensità della forza S1 trasmessa dalla biella stessa per la distanza d dell'asse di rotazione dell'albero motore, rappresenta nell'instante considerato, la coppia motrice. Come ben si comprende il valore della coppia è funzione di due grandezze: dell'intensità della forza S, e della distanza d; poichè tali valori variano continuamente durante la rotazione, in un intero ciclo, possiamo risalire alla costruzione di un diagramma la cui ordinata media ci rappresenta, ad un determinato numero di giri del motore, la "coppia motrice media" relativa a quel motore. Variando il numero di giri del motore otterremo un nuovo diagramma della coppia motrice ed un nuovo valore della coppia motrice media. Infine i valori della coppia motrice media possono essere riassunti in un diagramma avente per ascisse il numero di giri e per ordinate i valori della coppia media in Kgm. ( fig. 4). Conoscendo il valore della coppia si può facilmente ricavare la potenza applicando la formula


<math>N = \frac{c \cdot n}{716,5}</math>


dove si è indicato con la c la coppia motrice media e con n il numero di giri al minuto.


Motore 4 tempi
Diagramma Coppia Motrice motore 4 tempi


Consumo specifico. Rappresenta la quantità in grammi di combustibile occorrente per la produzione di un cavallo - ora (CVh). Esso si aggira intorno ai 260 gr/CVh per i motori a scoppio, ed all'incirca 190 gr/CVh per i motori Diesel.