IL MOTORE A 4 TEMPI


Così definito perchè un ciclo completo si divide in 4 fasi distinte:
  1. Aspirazione
  2. Compressione
  3. Espansione
  4. Scarico
Queste quattro fasi avvengono durante due giri dell'albero motore. Nella fase di aspirazione, il pistone si trova al Punto Morto Superiore (PMS), le valvole di aspirazione sono aperte, quindi durante il suo moto di discesa viene aspirata all'interno del cilindro miscela fresca aria/benzina nel caso di un motore a ciclo Otto, solo aria in un motore a ciclo Diesel. Quando il pistone è sceso al Punto Morto Inferiore (PMI), le valvole di aspirazione si chiudono, il pistone inizia a salire comprimendo quindi la miscela (o solo l'aria) appena aspirata, fino a giungere nuovamente al PMS, dove la miscela si incendia per via dello scocco della scintilla della candela, nel motore diesel invece è a questo punto che il carburante (gasolio) viene iniettato in camera di combustione, dove si accende spontaneamente per via dell'elevata pressione e temperatura. La combustione genera una elevata energia, che aumenta la pressione dei gas contenuti nel cilindro spingendo verso il basso il pistone, avviene quindi la fase di espansione. Il pistone scende quindi nuovamente al PMI, dove si aprono le valvole di scarico, parte dei gas combusti esce immediatamente per via dell'elevata pressione, la restante parte viene spinta fuori dal pistone durante l'ultima fase, quella di scarico. Terminata questa, con il pistone nuovamente al PMS, le valvole di scarico si chiudono, quelle di aspirazione si aprono e inizia un nuovo ciclo.
Nella realtà, l'apertura delle valvole non è istantanea, così come non è istantanea la combustione della miscela aria/carburante, inoltre si cerca di sfruttare le inerzie dei gas per migliorare il rendimento del motore. Per questi motivi, l'accensione della candela (o l'iniezione del gasolio) non avviene quando il pistone è al PMS, ma avviene qualche grado prima, per lasciare il tempo a tutto il carburante di bruciare. Per lo stesso motivo, le valvole di aspirazione non si aprono quando il pistone è al PMS, ma un pò prima, perchè la massa di aria necessita di essere accelerata e impiega del tempo, e si chiudono dopo il PMI, perché l'aria che sta entrando possiede una certa inerzia, quindi continua ad entrare anche mentre il pistone sta risalendo. Considerazioni analoghe valgono per le valvole di scarico.

Fasi motore a quattro tempi


Ho accennato prima della differenza tra motori a ciclo Otto e motori a ciclo Diesel, vediamoli nel dettaglio.

Motori a ciclo otto


Il nome "ciclo Otto" deriva dal nome dell'ingegnere tedesco che per primo ha depositato i brevetti per questo motore, Nikolaus August Otto. Egli depositò il brevetto nel 1876, ma gli stessi studi furono pubblicati, nel 1862, dall'inventore francese Alphonse Beau de Rochas.
Il ciclo è rappresentabile nel piano p-v (pressione-volume) tramite:
  1. Una aspirazione a pressione ambiente dal PMS al PMI
  2. Una compressione adiabatica dal PMI al PMS
  3. Una combustione innescata dalla scintilla della candela
  4. Una espansione adiabatica dal PMS al PMI
  5. Uno scarico libero iniziale a volume costante
  6. uno scarico forzato a pressione costante

Diagramma p-v ideale motore a ciclo Otto


Questo è il ciclo ideale Otto, nell'ipotesi di fluido perfetto (ovvero privo di viscosità e con calori specifici indipendenti dalla temperatura), combustione istantanea, trasformazioni isoentropiche. L'area di quel grafico rappresenterà il lavoro totale del ciclo.
Il ciclo reale deve tenere conto di:
  1. Fluido non ideale, ovvero ci saranno attriti, e il calore specifico non è costante
  2. La cessione di calore non avviene istantaneamente, è necessario anticipare l'accensione
  3. Ci saranno perdite di calore attraverso le pareti metalliche

Inoltre, la colonna di fluido in ingresso entra con una certa velocità attraverso un condotto, subirà quindi delle perdite di pressione dovute agli attriti, la pressione all'interno del cilindro in aspirazione sarà allora minore di quella atmosferica. Durante lo scarico, la pressione in camera sarà maggiore di quella atmosferica, per lo stesso motivo. Il diagramma reale avrà quindi una forma di una specie di otto, nel quale l'area superiore è il lavoro effettuato sul pistone, l'area inferiore sono le perdite definite "di pompaggio", dovute agli attriti del fluido sui condotti di aspirazione/scarico.

Diagramma p-v reale motore a ciclo Otto



Motori a ciclo Diesel


A differenza del ciclo Otto, nel ciclo diesel l'accensione non viene comandata da una candela, ma avviene spontaneamente per via dell'elevata pressione e temperatura in camera di combustione. Per questo motivo un motore Diesel presenta rapporti di compressione più elevati rispetto ad un motore a ciclo Otto, e dunque rendimenti termici più elevati. Nei motori Otto c'è la necessità di avere sempre il medesimo rapporto aria/benzina, al fine di avere una combustione ottimale, nel Diesel questo non è necessario, la quantità di aria aspirata è sempre la stessa, e la potenza viene regolata agendo sulla portata di combustibile. Nel piano p-v, il ciclo Diesel ideale si presenta come:
  1. Compressione adiabatica
  2. Trasformazione isobara reversibile
  3. Espanzione adiabatica
  4. Trasformazione isocora reversibile

Diagramma p-v Diesel


La combustione è distinta in tre fasi:
1. Ritardo all'accensione, è il tempo che intercorre tra l'inizio dell'iniezione e l'istante in cui si innesca la combustione. Il carburante polverizzato impiega un certo tempo ad evaporare e a creare quindi una miscela atta alla combustione. Questo tempo di ritardo non dipende dalla quantità di carburante iniettata.
2. Periodo di combustione rapida, è la diffusione della fiamma nella camera di combustione. Una volta che la fiamma si è innescata, il combustibile accumulato brucia con grande rapidità, provocando un brusco aumento della pressione che genera il tipico rumore del diesel.
3. Periodo di combustione regolata, dopo che la fiamma si è propagata, il nuovo combustibile in ingresso brucia istantaneamente



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