A cura di: Federico Torti 5 Alt - Liceo Scientifico Tecnologico I.I.S. Alessandrini A.S

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1 A cura di: Federico Torti 5 Alt - Liceo Scientifico Tecnologico I.I.S. Alessandrini A.S

2 Il Motore a Combustione Interna rappresenta la più diffusa macchina termica mai realizzata dall'uomo, ed oggigiorno il suo impiego trova infinite applicazioni. La ragione di una tale capacità di soddisfare le più disparate necessità deve essere ricercata nella facilità di regolazione e di adattamento proprie di questa macchina. Il Motore a scoppio si è adattato velocemente ai bisogni civili ed industriali dell'uomo, consentendo la realizzazione dell'automobile, della motocicletta, di velivoli e della produzione di energia laddove era impossibile con altri mezzi. Ha accorciato le distanze, rendendo possibile viaggiare a velocità sempre maggiori, ed ha migliorato le comunicazioni, il trasporto delle merci e gli scambi culturali. Inoltre ha permesso lo sviluppo delle corse automobilistiche e motociclistiche, che rappresentano uno dei migliori esempi di integrazione tra macchina ed essere umano, nell infinita ricerca dell'uomo di superare sé stesso e i limiti naturali. 1

3 Indice Motore a scoppio (pag.4): definizione, struttura, funzionamento e differenze dei moderni motori termici; Termodinamica (pag.19): concetti fondamentali, Secondo Principio della Termodinamica, rendimento di una macchina termica, cicli di Carnot e di Stirling. Ciclo Otto di un motore a quattro tempi (sezione Motore a scoppio); Combustibili derivati dal petrolio (pag.28):. il petrolio e la sua raffinazione, i processi secondari che portano all ottenimento delle frazioni più pregiate, utilizzate per alimentare i motori a combustione interna; Storia del motore (pag.38): storia dell invenzione e dell evoluzione del motore a scoppio, avvenuta in un contesto storico di importanti cambiamenti: la seconda rivoluzione industriale; Henry Ford (pag.45): from modest, agrarian Michigan roots he became the father of 20th century American industry. Bibliografia (pag.47) 2 Mappa

4 Storia del motore Mappa concettuale Il motore a scoppio Termodinamica Henry Ford Petrolio e derivati 3 Bibliografia

5 Cos è e come funziona il motore a scoppio Un motore è una macchina il cui funzionamento prevede l assorbimento di energia da una sorgente e la sua trasformazione in lavoro meccanico. Il motore a combustione interna (endotermico) è chiamato così perché, a differenza delle macchine che lo hanno preceduto (come la macchina a vapore di Watt), la combustione avviene internamente. Il motore endotermico è la macchina termica più diffusa e versatile mai creata dall uomo. Il motore endotermico è alimentato da una miscela di aria e benzina, che viene trasformata in lavoro meccanico mediante il processo di combustione, che produce calore e pressione. Esistono molteplici tipologie di motori a combustione interna, che si differenziano per alimentazione, funzionamento o architettura. Una prima classificazione può essere fatta in base al movimento dell organo principale, il responsabile della trasmissione del moto. Si possono quindi avere: Motori di tipo rotativo (detti anche motori a fluido); Motori di tipo alternativo (motori a scoppio). Il motore a scoppio è sicuramente il motore più largamente utilizzato, oggigiorno. E un motore di tipo alternativo quindi può essere definito anche volumetrico, poiché il ciclo termodinamico avviene in un volume definito, chiamato cilindrata. 4

6 Struttura e funzionamento dei diversi motori Una ulteriore, importante, classificazione viene fatta in base ai movimenti (chiamati corse) del pistone necessari a chiudere un ciclo di funzionamento: esistono dunque motori a due o a quattro tempi: Motore a quattro tempi: il ciclo completo di lavoro si compie in quattro corse del pistone e in due giri dell albero motore. La combustione è provocata dalla scintilla che scocca fra le punte della candela; l entrata del combustibile nel cilindro e l uscita del gas combusto sono assicurate da due luci (aperture) sulla testata, che si aprono e si chiudono mediante valvole; Motore a due tempi: il ciclo completo di lavoro si compie in due corse del pistone e in un solo giro dell albero motore; a differenza del quattro tempi qui mancano gli organi di distribuzione e di lubrificazione e non esistono valvole. La lubrificazione è assicurata dall'olio introdotto nel carburante per formare la miscela, oppure da un miscelatore automatico che provvede ad inserire la quantità d'olio necessaria ad una buona lubrificazione direttamente nella camera di scoppio. I motori a combustione interna vengono classificati in base alla cilindrata e alla potenza fornita, misurata in cavalli-vapore. 5

7 I disegni evidenziano le differenze strutturali tra un motore a due tempi ed un motore a quattro tempi: Disegno di un motore a due tempi Disegno di un motore a quattro tempi 6

8 Il motore, nel suo insieme, è essenzialmente costituito da un cilindro entro cui scorre uno stantuffo (pistone) al quale sono collegati biella ed albero motore, incaricati di trasformare il moto alternato in moto circolare da trasmettere alle ruote motrici. Qui sopra è riportato il cinematismo del funzionamento di un motore a scoppio, composto da quattro cilindri in linea (quadricilindrico). Sono evidenziate in azzurro le bielle e in verde l albero motore, i bilancieri e il volano. 7

9 L animazione a lato mostra dettagliatamente come si compie un ciclo in un motore a quattro tempi, che avviene mediante quattro corse del pistone (due ascendenti e due discendenti) necessarie a svolgere le sei fasi che compongono il ciclo stesso. Il filmato evidenzia il movimento degli alberi a camme posti alle estremità superiori, il cui compito è di spingere verso il basso le valvole per aprire le luci di aspirazione e scarico, e permettere così alla miscela fresca di entrare in camera di scoppio e ai gas combusti di uscire attraverso l impianto di scarico. Il movimento di ritorno delle valvole è dato da meccanismi pneumatici o meccanici (come il sistema Desmodromico impiegato da Ducati). Albero a camme Richiamo valvole Desmodromico 8

10 Il filmato a lato mostra in modo dettagliato ciò che avviene a livello di camera di combustione durante un ciclo completo di funzionamento. Qui sopra è stato riportato il cinematismo della distribuzione (albero a camme e valvole) in un motore a quattro cilindri. In verde sono evidenziate le camme, il cui profilo incide sensibilmente sul carattere e sulle prestazioni di un motore. 9

11 Le fasi del motore Aspirazione: il pistone, dal punto morto superiore (PMS), procede verso il basso aspirando la miscela attraverso le valvole di aspirazione; Compressione: le valvole si chiudono; una volta raggiunto il punto morto inferiore (PMI), il pistone risale verso la testa comprimendo il fluido; Esplosione: la candela provoca l accensione della miscela compressa, nell istante appena successivo al raggiungimento, da parte del pistone, del punto morto superiore (PMS); in camera di scoppio si raggiungono elevatissime temperature e pressioni; Espansione: in seguito all esplosione della miscela, il pistone viene spinto verso il basso fino al PMI e la sua temperatura decresce notevolmente; questa è la fase attiva del ciclo, l unica durante la quale viene prodotto lavoro; Uscita dei gas: il pistone si trova al PMI e l apertura delle valvole di scarico ha come risultato la fuoriuscita di gran parte dei gas per depressione e il loro conseguente raffreddamento; Espulsione: il pistone opera l ultima corsa ascendente, grazie alla quale vengono espulsi i rimanenti gas combusti, e termina il ciclo; 10

12 Il disegno rappresenta un ciclo di funzionamento di un motore a scoppio a quattro tempi; spesso, come in questa rappresentazione, la quinta e la sesta fase (Uscita dei gas ed Espulsione) che in realtà si compiono quasi simultaneamente, vengono rappresentate come una fase sola. Il funzionamento del motore a quattro tempi è basato su un ciclo termodinamico chiamato ciclo Otto, che prende il nome dal famoso ingegnere tedesco. Il ciclo, ideale, è composto da sei fasi, delle quali solo quattro comportano movimenti del pistone. 11

13 Il ciclo Otto Il ciclo del motore a quattro tempi (ciclo Otto) può essere schematizzato in un diagramma pressionevolume come segue: Ciclo Otto ideale Ciclo Otto reale E riferito al funzionamento di un motore ideale, che funzioni molto lentamente, nettamente diverso dal funzionamento di un motore a scoppio reale, dove le trasformazioni avvengono così velocemente da non trovarsi mai in uno stato di equilibrio. Ovviamente un motore a quattro tempi è tanto migliore quanto più riesce ad avvicinarsi alla teoria, cioè al ciclo Otto. 12

14 Il primo tempo (aspirazione) è rappresentato dalla isobara A B, che ha luogo alla pressione atmosferica e alla temperatura dei cilindri del motore; Il secondo tempo (compressione) è rappresentato dalla adiabatica B C, durante il quale la compressione provoca l aumento della pressione e della temperatura della miscela, che avviene senza scambi di temperatura con l esterno; Il terzo tempo (esplosione) è rappresentato dalla isocora C D. La temperatura e la pressione del gas aumentano rapidamente a causa della combustione della miscela, il volume resta inizialmente inalterato poiché il pistone non fa in tempo a muoversi; Il quarto tempo (espansione) è rappresentato dall adiabatica D E, durante il quale la temperatura dei prodotti della combustione si abbassa; Il quinto tempo (uscita dei gas) è rappresentato dall isocora E B, lungo la quale la pressione del gas si abbassa fino alla pressione atmosferica a causa dell apertura delle valvole di scarico; Il sesto tempo (espulsione) è rappresentato dall isobara B A, durante il quale la corsa ascendente del pistone espelle i gas combusti dalla camera di scoppio e completa così il ciclo. 13

15 Il motore diesel Il motore diesel, inventato nel 1893 dall ingegnere tedesco Rudolf Diesel, differisce dal tradizionale motore a benzina per diversi aspetti: il combustibile utilizzato per il funzionamento è il gasolio, che presenta proprietà antidetonanti decisamente maggiori rispetto alle benzine, e viene iniettato direttamente all interno della camera di combustione, attraverso iniettori elettronici che polverizzano il combustibile in minutissime gocce. L altra grande differenza con i motori a benzina risiede nel metodo utilizzato per provocare l accensione della miscela, che non prevede l utilizzo della candela: la combustione viene provocata attraverso l incremento della compressione durante la seconda fase, che porta ad un aumento di temperatura tale da innescare la reazione senza l ausilio della scintilla. Il primo motore Diesel, 1893 Qui a lato è riportato il ciclo Diesel teorico, nel quale, a differenza del ciclo Otto, la combustione avviene più gradualmente e, teoricamente, a pressione costante. Il motore Diesel presenta molti vantaggi rispetto al motore benzina, soprattutto in termini di consumi, erogazione della potenza e durata del motore.queste caratteristiche, unite alla crescente tendenza a dotare questo tipo di motori di turbine (Turbodiesel), al fine di incrementarne le prestazioni, sono i cardini del crescente successo dei motori alimentati a gasolio. 14

16 Il motore Wankel L'idea del motore rotativo è quella di convogliare in un percorso approssimativamente circolare i quattro tempi del "ciclo Otto" dei motori a scoppio: Rispetto ai motori a pistoni, il principale vantaggio del motore rotativo Wankel sta nel fatto che quest'ultimo ha solo DUE parti in movimento. Il "cilindro" del motore Wankel (più propriamente, lo statore) è in effetti un cilindro ovale (un trocoide) che ospita un rotore di forma approssimativamente triangolare, la cui rotazione produce continuamente tre "camere"; allargandole e restringendole durante il moto, crea la parte "piatta" del rotore, creando così la compressione per lo scoppio. Il rotore mantiene separate le tre camere "strisciando" sulla parte interna dello statore e muovendo direttamente l'albero motore che sta al suo centro. Non ci sono valvole, albero a camme, cinghie, e - ad eccezione degli attriti dovuti allo strisciamento - tutta la potenza prodotta è scaricata sull'albero motore. Cinematismo del funzionamento di un motore rotativo (Wankel) 15

17 Col movimento del rotore nello statore, le tre "camere", solidali con i tre lati del rotore ma limitate dalla forma dello statore, cambiano posizione e volume: idealmente, sarebbe come avere tre cilindri senza il limite del loro movimento lineare e della loro complessità meccanica! Dunque il motore Wankel è assai più leggero di un equivalente a benzina, più affidabile (perché più semplice, presenta meno parti in movimento) con assai meno vibrazioni (perché il moto è circolare anziché lineare) con una risposta migliore (perché non soggetta al sistema delle valvole), meno inquinante (perché la combustione è più "fredda" e quindi rilascia una quantità minore di NOx) e perfino più silenzioso. Foto di un motore rotativo a doppia candela (Twin Spark) 16

18 Sviluppi futuri Gli sviluppi futuri del motore a combustione interna prevedono differenti scenari possibili. Oggi assistiamo al grande sviluppo di motori Diesel, che hanno tuttora un margine di miglioramento superiore ai motori a benzina con iniezione indiretta. Tuttavia nel breve periodo si assisterà anche ad un intenso sviluppo del motore a benzina ad iniezione diretta, che preannuncia ottime prestazioni, sia in termini di potenza che di consumi e di emissioni inquinanti. Successivamente alcuni studiosi prevedono che quando la domanda di petrolio non sarà più soddisfatta dalla sua produzione, allora i sistemi di propulsione si dirigeranno su fonti di energia di tipo rinnovabile. Le vetture a motore elettrico, quelle ibride motore elettrico - motore termico, quelle alimentate a celle a combustibile, e quelle che utilizzano motori tradizionali alimentati ad idrogeno sono tutti scenari possibili e realizzabili nei prossimi dieci o vent'anni. Prototipo di auto sportiva alimentata ad idrogeno Tuttavia il legame esistente tra l'uomo ed il motore a combustione interna sarà duro a morire, per una grande quantità di ragioni, da quelle affettive a quelle legate alle competizioni sportive. Pertanto è difficile stabilire ora quale delle strade prospettate sia quella che ha maggiori probabilità di dominare sulle altre. Dal punto di vista tecnico sono tutte quante percorribili, dunque saranno essenzialmente ragioni di natura politico-economica a stabilire quali motori utilizzeremo nelle prossime decadi. 17 Mappa

19 Termodinamica La termodinamica è la parte della fisica che si occupa di studiare le leggi con cui i corpi scambiano (ricevono e cedono) calore e lavoro con l ambiente che li circonda. In particolare, la termodinamica si occupa delle trasformazioni di calore in lavoro che hanno luogo in tutte le macchine termiche. Essa spiega e prevede il comportamento dei sistemi termodinamici, ed è fondata su due princìpi: Il primo principio della termodinamica tiene conto non solo del lavoro, ma anche del calore come forma di trasferimento dell energia; Il secondo principio della termodinamica stabilisce precise limitazioni alla possibilità di trasformare lavoro in calore; Esiste anche un terzo principio che si occupa dell equilibrio termico tra corpi, e prende il nome di principio zero della termodinamica : Il principio zero della termodinamica afferma che se un corpo A è in equilibrio termico con un corpo C e anche un corpo B è in equilibrio termico con C, allora A e B risulteranno essere in equilibrio termico tra loro. 18

20 Le trasformazioni termodinamiche Esistono tre tipi fondamentali di trasformazioni: le trasformazioni isoterme: avvengono a temperatura costante, per il gas perfetto tale trasformazione è rappresentata da un arco di iperbole equilatera; le trasformazioni isobare: avvengono a pressione costante, in un grafico pressione-volume sono rappresentate da un segmento parallelo all asse delle ascisse; le trasformazioni isocore: avvengono a volume costante, in un diagramma pressione-volume sono rappresentate de un segmento parallelo all asse delle ordinate; Trasformazione isoterma Trasformazione isobara Trasformazione isocora 19

21 Altri tipi di trasformazioni hanno grande importanza in termodinamica: le trasformazioni adiabatiche: avvengono senza scambio di calore tra il sistema fisico in esame e l ambiente esterno; le trasformazioni cicliche: sono trasformazioni nelle quali lo stato di partenza coincide con quello finale, nel diagramma pressione-volume sono rappresentate de linee chiuse; Q tot = W tot le trasformazioni quasistatiche: sono trasformazioni che avvengono in modo estremamente lento, tali che il sistema in esame passa da uno stato iniziale A ad uno stato finale B attraversando una successione di infiniti stati di equilibrio. Questo tipo di trasformazioni possono essere rappresentate in un diagramma pressione-volume mediante linee continue; le trasformazioni reali: il comportamento di un gas nel corso di una trasformazione reale è così complesso e casuale da rendere vano ogni tentativo di descriverlo in modo completo. Durante la trasformazione volumi diversi dello stesso gas presentano, a ogni istante fissato, pressioni e temperature diverse. Perciò una trasformazione reale non può essere rappresentata su un diagramma pressione-volume da una linea continua, bensì da una specie di fuso. 20

22 Secondo principio della termodinamica In questa sezione ci occuperemo del secondo principio della termodinamica, sul quale si basa il funzionamento di una macchina termica come il motore a scoppio. Una macchina termica è un dispositivo in grado di compiere un lavoro continuativo a spese dell energia interna ricevuta mediante scambi di calore. In termodinamica, il funzionamento di una macchina termica è descritto da una trasformazione ciclica. E importante che il dispositivo produca lavoro in modo continuativo, poiché un motore deve poter funzionare per un tempo indefinito. Una macchina termica, per poter funzionare, necessita di almeno due sorgenti di calore, una detta caldaia che riscaldi il fluido, provocando la sua espansione, ed una chiamata refrigerante, che raffreddi il fluido in modo da chiudere il ciclo. Lord Kelvin e Rudolph Clausius 21

23 Enunciati del secondo principio Sappiamo, come confermato dalle esperienze di Joule, che è possibile trasformare completamente il lavoro in calore. Trasformazioni complete di lavoro in calore le possiamo ritrovare ogni volta che sono in gioco delle forze di attrito. Ad esempio la frenata di un automobile trasforma completamente l energia cinetica del mezzo in calore dei dischi freno e degli pneumatici. Non è però sempre possibile il contrario, ovvero trasformare completamente il calore in lavoro. Il secondo principio della termodinamica stabilisce precise limitazioni a questa operazione, ed è espresso da due enunciati, equivalenti dal punto di vista logico e fisico: quello di Lord Kelvin e quello di Clausius. Enunciato di Lord Kelvin: afferma che è impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia quello di assorbire una determinata quantità di calore da un unica sorgente di calore e trasformarla integralmente in lavoro. Ovvero i corpi con cui il sistema deve scambiare calore devono essere almeno due: W tot = Q2 - Q1 > 0 Enunciato di Clausius: afferma che è impossibile realizzare una trasformazione il cui unico scopo sia quello di far passare calore da un corpo più freddo ad uno più caldo; Ovvero il calore non passa mai spontaneamente dai corpi freddi a quelli caldi, il flusso spontaneo del calore tende sempre a livellare le differenze di temperatura. 22

24 Rendimento e terzo enunciato Per indicare la qualità della macchina termica, ovvero la capacità di convertire calore in lavoro, è stata definita una nuova grandezza termodinamica: il rendimento. Esso è definito come il rapporto tra il lavoro totale (W tot) prodotto in un ciclo e la quantità di calore (Q2) che la macchina preleva ad ogni ciclo dalla sorgente a temperatura maggiore. W tot R = Per un dispositivo che lavora tra due sorgenti di calore (Q1 e Q2), ricordando che in una trasformazione ciclica il lavoro è dato da W tot = Q2 - Q1, si ha che: Q2 Q1 R = 1 - Tenendo conto del fatto che Q1 <= Q2 e che secondo Lord Kelvin Q1 deve essere diverso da zero, il rendimento di una macchina termica è sempre compreso tra i valori di 0 e 1, e non può assumere il valore 1. Dopo queste considerazioni è possibile considerare un terzo modo di enunciare il secondo principio della termodinamica, ovvero è impossibile progettare una macchina termica che abbia rendimento pari ad 1. Q2 23

25 Cicli di Carnot e di Stirling E necessario introdurre il concetto di macchina reversibile: Una macchina reversibile è un dispositivo che compie una trasformazione ciclica reversibile. Se tale trasformazione è composta da più fasi, ognuna di esse deve essere una trasformazione reversibile. Il teorema di Carnot stabilisce che, data una macchina reversibile R, il cui rendimento è Rr, e un altra macchina qualunque S, dal rendimento Rs, le quali lavorano tra le stesse due temperature, si ha sempre che Rr >= Rs, dove il segno di uguale vale solo se anche S è reversibile. Il ciclo di Carnot (vedi grafico a lato) è la realizzazione pratica, anche se ideale, del teorema di Carnot. E una trasformazione ciclica reversibile che avviene utilizzando due sole sorgenti di calore. Si riferisce ad un fluido contenuto in un cilindro chiuso munito di pistone. E costituito da quattro fasi consecutive: un espansione isoterma, un espansione adiabatica, una compressione isoterma ed una compressione adiabatica. Al termine della trasformazione, la macchina ha compiuto un lavoro uguale all area di piano delimitata dal grafico. 24

26 Il disegno a lato raffigura il ciclo di funzionamento di una macchina di Carnot, ovvero una macchina termica che lavora tra due sorgenti di calore T1 e T2, con T1 < T2, secondo il ciclo di Carnot. 25

27 Il ciclo di Stirling è costituito anch esso da quattro fasi: un espansione isoterma, una trasformazione isocora che diminuisce pressione e temperatura, una compressione isoterma ed un altra trasformazione isocora che riporta il sistema allo stato iniziale. E un ciclo decisamente più complesso di quello di Carnot, perché sono necessarie infinite sorgenti di calore per eseguire le trasformazioni isocore, ma presenta le stesse caratteristiche rilevanti, ovvero lavora tra due temperature T1 e T2. Massimo rendimento Facendo uso del ciclo di Stirling, si può dimostrare che il massimo rendimento di una macchina termica che lavora tra le temperature T1 e T2 ( con T2 > T1), è stabilito da: T1 R = 1 - T2 Che pone un limite massimo all efficienza di ogni macchina realizzabile che lavori tra le temperature T1 e T2, visto che il rendimento di una macchina reale (irreversibile) è sempre minore di quello di una macchina reversibile. 26 Mappa

28 Petrolio e combustibili Con il termine petrolio si designa un insieme di idrocarburi più o meno complessi che si trovano sotto forma gassosa (molecole da 1 a 5 atomi di carbonio), liquida (molecole da 6 a 16 atomi di carbonio) o solida (più di 16 atomi di carbonio). Il petrolio da commercio è liquido poiché le fasi solida e gassosa rimangono in soluzione. Il nome deriva da Petroleum (olio di pietra), utilizzato per la prima volta intorno al 1550 dal tedesco Giorgio Agricola. Il petrolio greggio (non ancora raffinato) si presenta come un liquido oleoso, infiammabile, di colore variabile dal giallastro al nero e dotato di attività ottica. La composizione del petrolio varia in base al rapporto dei principali costituenti (paraffine, nafteni, sostanze aromatiche, bitume),si possono così trovare petroli paraffinici, naftalenici, misti ed arenici. La formazione del petrolio è dovuta alla decomposizione di sostanze organiche, provenienti da organismi acquatici del regno animale e del regno vegetale (microrganismi, alghe ecc.), a opera di batteri aerobi e soprattutto anaerobi, cioè in ambiente privo di ossigeno. Il trattamento base è la distillazione frazionata, con cui il petrolio viene suddiviso in un numero considerevole di frazioni caratterizzate ciascuna da un intervallo (crescente) di temperatura di ebollizione. Oltre alla frazione gassosa, si hanno: oli minerali leggeri, oli medi, oli pesanti, residui solidi. 27

29 Destinazioni dei principali prodotti ricavati dal petrolio Solo le frazioni pesanti e i residui possono essere immessi sul mercato direttamente. Gli oli leggeri, sottoposti a una seconda distillazione, possono essere oggetto di tre trattamenti: stabilizzazione, reforming, raffinazione. La stabilizzazione dà gas utilizzabili nei bruciatori delle raffinerie o per ottenere benzine in seguito al processo di polimerizzazione. Il reforming è un processo simile al cracking, che serve a diminuire il potere detonante delle benzine. La raffinazione ha lo scopo di eliminare dalle benzine le impurità. In generale, un procedimento di eccezionale importanza nella lavorazione del petrolio è il cracking, con cui è possibile ottenere prodotti leggeri (benzine nella quasi totalità) dalle frazioni pesanti e dai residui. Un altro processo è costituito dalla polimerizzazione catalitica. 28

30 Raffinazione del petrolio Nonostante i potere calorifico del petrolio si molto alto, la diversità delle molecole che lo compongono e la loro varia struttura non ne permettono una proficua utilizzazione come combustibile diretto. La raffinazione del petrolio ha lo scopo di raccogliere separatamente le molecole dello stesso tipo e dello stesso peso in modo da ottenere frazioni uniformi. Avviene tramite il processo di distillazione frazionata. Schema della raffinazione del petrolio 29

31 Il petrolio grezzo viene immesso per mezzo di tubi di acciaio in un riscaldatore, dove la temperatura oscilla tra i 315 e i 370 C. I vapori di petrolio vengono poi iniettati nella colonna di frazionamento, o torre a piatti. Nella colonna di frazionamento i gas, passando attraverso una serie di piatti forati, salgono verso l'alto, raffreddandosi. Alle diverse temperature si condensano, ritornando allo stato liquido. Ricadendo si depositano sui piatti, dando così luogo alla separazione delle diverse frazioni di idrocarburi. Nel punto più basso della colonna si condensano oli combustibili, lubrificanti, paraffine, cere e bitumi, tra i 350 e i 250 C si condensa il gasolio, utilizzato come combustibile per motori diesel e per il riscaldamento domestico. Tra 250 e 160 C il kerosene, un combustibile oleoso usato come propellente per aerei a reazione e impianti di riscaldamento. Tra i 160 e i 70 C condensa la nafta, una sostanza liquida usata come combustibile e, come materia prima, per produrre materie plastiche, farmaci, pesticidi, fertilizzanti. Le benzine condensano tra i 70 e i 20 C. Sono usate, principalmente, come carburante per automobili ed aerei. A 20 C, rimangono gassosi metano, etano, propano e butano. In particolare, butano e propano, formano il combustibile denominato GPL. Colonna di frazionamento 30

32 In una raffineria, oltre alla distillazione frazionata, si svolgono altri processi, per ricavare ulteriori quantità di prodotti pregiati o per migliorare la qualità dei prodotti ed adeguarli alle richieste del mercato. Ad esempio, in impianti, denominati di "Cracking", è possibile spezzare le catene idrocarburiche più lunghe. Questo procedimento permette di trasformare prodotti poco pregiati in benzine e gasoli. Attraverso il "Reforming catalitico", viene aumentato il numero di ottani nelle benzine, con la "Desolforazione" si riduce quasi totalmente il contenuto di zolfo nei gasoli. 31

33 Cracking e reforming Il cracking, o decomposizione termica, è un processo che da lunghe molecole inutilizzabili conduce a molecole corte, più adatte per essere utilizzate nei motori. Il processo di rottura (cracking, appunto) viene condotto ad alta temperatura ( C) e a forte pressione; per ottenere molecole che presentino un numero di atomi di carbonio ben definito si impiegano catalizzatori che dirigono la reazione nel senso desiderato (cracking catalitico). I materiali catalizzanti sono argille naturali o sintetiche. Per evitare la formazione di residui carboniosi si pratica contemporaneamente un idrogenazione. Il cracking catalitico permette di migliorare la qualità del prodotto e di operare a temperature e pressioni ridotte. Possiamo considerare il cracking come il trattamento chiave nella raffinazione delle benzine. La foto rappresenta l area di una raffineria dove viene praticato il Cracking catalitico. 32

34 Il processo chiamato reforming, invece, consiste nel cambiare la disposizione spaziale degli atomi che costituiscono le frazioni leggere destinate ad essere impiegate come combustibili nei motori a scoppio, in modo da innalzare il loro potere antidetonante. Il reforming, o riassestamento, avviene per riscaldamento delle benzine derivate da cracking e spesso i due processi vengono portati avanti insieme. Le alte temperature (circa 500 C) e la presenza di catalizzatori alluminosi e platino in polvere provocano la mobilizzazione degli atomi delle grosse catene lineari e il loro successivo riassestamento in molecole cicliche e ramificate, che reagiscono con maggiore difficoltà con l ossigeno. Ecco il motivo dell incremento del potere antidetonante. Processo vacuum ed etilazione delle benzine Il residuo semisolido del topping contiene una gran quantità di prodotti interessanti. Per distillarli separatamente si dovrebbero raggiungere temperature così elevate da demolire le molecole stesse; perciò si procede con una particolare distillazione sotto vuoto (vacuum): diminuendo la pressione si abbassa anche il punto di ebollizione di qualsiasi sostanza, ed è perciò possibile separare le varie frazioni agendo a temperature che le lascino inalterate. Esiste un secondo processo che permette di rendere indetonanti le benzine oltre al reforming: l aggiunta di catalizzatori negativi che rallentano le reazioni di combustione. La sostanza più utilizzata a questo scopo è il piombo tetraetile, molto tossico poiché durante la reazione di combustione libera atomi di Piombo, il cui impiego è soggetto a progressive limitazioni nelle legislazioni di vari paesi, tra cui quelli della CEE. 33

35 Classificazione delle benzine La benzina è una miscela di idrocarburi liquidi alifatici e aromatici provenienti dalla distillazione del petrolio, usata, spesso con aggiunta di vari additivi, come carburante per motori a combustione interna. Vengono chiamate benzine i prodotti derivati dal topping e dal vacuum, che costituiscono le frazioni leggere distillate entro i 225 C. La classificazione delle benzine tiene conto di parametri quali: il grado di raffinazione, il numero di ottano e il comportamento alla distillazione. Una benzina non deve essere troppo volatile, deve passare con regolarità allo stato gassoso nella fase di aspirazione dei motori a 2 e 4 tempi e non deve contenere zolfo e residui gommosi o resinosi che possano dar luogo a depositi carboniosi all interno della camera di scoppio. Le benzine si dividono in: benzine per autotrazione, combustibili per motori diesel, kerosene, benzine avio, combustibili per motori a reazione e benzine solventi per uso industriale. In seguito ci occuperemo delle prime due tipologie, che vengono utilizzate per alimentare i comuni motori a combustione interna, sia a ciclo otto sia diesel. 34

36 Benzine per autotrazione Le benzine per autotrazione (benzine di categoria A), si suddividono in benzine normali con numero di ottano pari a 72, e benzine super, con numero di ottano pari a 90. Umidità e componenti acidi devono essere assenti, lo zolfo non deve essere presente per più dello 0,2%; Le gomme attuali (residui gommosi presenti dopo aver fatto evaporare completamente la benzina a 160 C in corrente d aria) devono essere inferiori a 10mg/100cm cubi di benzina. La benzina verde Caratterizzata dal bassissimo contenuto di piombo (inferiore a 0,0013 g/l), da un tenore di benzene tra il 4 e il 5,5% in peso e da un contenuto di idrocarburi aromatici tra il 40 e il 50%, consente di mantenere un rapporto di compressione ancora sufficientemente alto da non penalizzare il rendimento del veicolo. Tuttavia è fonte di nuove forme di inquinamento altrettanto pericolose e pertanto deve essere abbinata a un particolare apparato di carburazione e scarico, noto come marmitta catalitica, che cattura e neutralizza fino al 95% delle sostanze contenute nei gas di scarico. 35

37 Il numero di ottano E un indice riferito a una scala, in cui all'isoottano puro (poco detonante) è assegnato il valore 100, mentre al normal-eptano (molto detonante) é assegnato il valore 0. Negli idrocarburi paraffinici (alcani) il potere antidetonante è tanto più elevato quanto più la loro catena di atomi di carbonio è ramificata: gli idrocarburi cicloparaffinici (cicloalcani), e ancor più quelli aromatici, presentano un potere antidetonante maggiore di quello degli idrocarburi paraffinici aventi lo stesso numero di atomi di carbonio e struttura lineare Combustibili diesel Nei motori a ciclo Diesel, contrariamente a quanto avviene in quelli a ciclo Otto, vengono impiegati oli medi e pesanti, iniettati direttamente nei cilindri. Esistono varie categorie di combustibili per motori diesel, ma sicuramente il più largamente impiegato è il gasolio. Le caratteristiche più importanti per un gasolio sono le proprietà di accensione, la viscosità, il contenuto in zolfo. Relativamente alle proprietà di accensione, le norme prescrivono un numero di cetano minimo di 47, per facilitare l avviamento e ridurre le vibrazioni e i fumi di scarico. La viscosità deve essere tale da non impedire il flusso di combustibile agli iniettori e, come per le benzine, il contenuto in zolfo deve essere nei limiti accettabili per evitare l originarsi di depositi e prodotti corrosivi. 36 Mappa

38 Nascita del motore a scoppio Il motore a scoppio, o motore a combustione interna, fu il risultato di una lunga serie di studi, ricerche ed esperimenti che videro impegnati numerosi scienziati europei dalla metà dell 800 fino ai primi anni del 900. L'origine del Motore a scoppio risale alla metà del XIX secolo, quando in diverse regioni europee iniziarono i primi esperimenti nel tentativo di produrre energia meccanica dal calore. All'inizio del 1800 Lebon d'humbersin compie i primi esperimenti con gas illuminante, nel 1824 Carnot pubblica le sue "Riflessioni sul potere del calore di indurre movimento" e negli anni seguenti Brown, Wright e Barrnet realizzano in Inghilterra alcuni motori a gas. Ma il primo motore funzionante con regolarità fu quello di Barsanti e Matteucci, del quale furono depositati i disegni ed una precisa descrizione nel 1853 e al quale fanno riferimento diversi brevetti in Inghilterra, Francia, Belgio e Italia. A tutti gli effetti questo deve essere riconosciuto come il primo motore a combustione interna. Eugenio Barsanti e Felice Matteucci 37

39 Il motore di Barsanti e Matteucci, frutto di una collaborazione professionale nata nel 1851, era costituito da un cilindro in ghisa verticale munito di stantuffo e valvole, ed il rendimento globale si attestava intorno al 14%. Un motore Barsanti-Matteucci Successivamente, nel 1860, Lenoir realizzò un motore molto simile, che però funzionava ad azione diretta, con un rendimento del 4%. Tuttavia, grazie anche al supporto del governo francese, questo motore ebbe un notevole successo: fu il primo motore a combustione interna ad essere impiegato nel settore industriale. Nello stesso anno Beau de Rochas inventa e studia teoricamente il ciclo a quattro tempi così come lo intendiamo oggi, ma non costruisce alcuna macchina pratica che lo realizzi. Il motore Lenoir del

40 Nel 1867 i tedeschi A. Otto ed E. Langen presentano un motore sostanzialmente uguale a quello di Barsanti e Matteucci all'esposizione Internazionale di Parigi, con un rendimento del 12%. Nonostante le enormi dimensioni e le notevoli vibrazioni,questo motore sostituì ben presto il motore Lenoir. Il motore Otto-Langen del 1867 Nel 1876 gli stessi inventori realizzarono un motore a quattro tempi basato sul ciclo di Beau de Rochas, che ebbe un tale successo che oggi indichiamo col nome di ciclo Otto quello ideato da Beau de Rochas. Negli anni che seguirono, l'impiego dei motori a scoppio ebbe una notevole diffusione ed il loro sviluppo fu portato avanti da molte persone sia in Europa che in America. Il prof. August Otto 39

41 L'invenzione del motore a due tempi ad opera di Clerk si ebbe nel Qualche anno più tardi, nel 1882, Enrico Bernardi anticipò Daimler e Benz creando un motore a scoppio alimentato a benzina, la Motrice Pia, sul quale venne utilizzato per la prima volta un carburatore. Enrico Bernardi Negli anni compresi tra il 1885 ed il 1890 i tedeschi Daimler e Benz, in maniera indipendente tra di loro, apportano diverse migliorie ai motori esistenti fino a renderli leggeri e potenti a tal punto da poter essere montati su una automobile, la cui invenzione viene accreditata contemporaneamente ai due studiosi nel Rudolf Diesel Nel 1893 il tedesco Rudolf Diesel realizza il primo motore ad accensione spontanea, nel quale l accensione della miscela non è determinata da una scintilla bensì da una maggior compressione, che verrà migliorato nel 1927 tramite la pompa meccanica di Bosh. 40

42 Nel 1900 Maybach realizza il primo motore a quattro cilindri in linea che verrà montato sulla prima Mercedes. Nel 1957 Felix Wankel ideò il primo motore a combustione interna di tipo rotativo che porta il suo nome. Willhelm Maybach Felix Wankel col primo motore rotativo Anche se oggi il motore a combustione interna è completamente diverso, in termini di aspetto, materiali e prestazioni, dalle versioni presenti alla fine dell'800, i principi del suo funzionamento sono rimasti immutati e non vi sono state innovazioni paragonabili a quelle introdotte nella seconda metà del XIX secolo. 41

43 Il contesto storico: la seconda rivoluzione industriale Proprio il motore a scoppio, unito alla diffusione dell energia elettrica, fu una delle principali caratteristiche del periodo di profonda trasformazione economica che venne chiamato Seconda rivoluzione industriale,che ebbe inizio con un improvvisa crisi di sovrapproduzione, scoppiata nel 1873, che durò per circa un ventennio. Questo provocò un notevole rallentamento dello sviluppo ed una prolungata caduta dei prezzi, prodotto delle trasformazioni organizzative e delle innovazioni tecnologiche che permisero di ridurre i costi di produzione. Molti furono i fattori, tra cui il crollo dei prezzi e la crisi della libera concorrenza, che portarono allo sviluppo di grandi concentrazioni finanziarie e strette compenetrazioni tra banche e imprese. Si sviluppava contemporaneamente nei vari stati, una politica protezionistica di appoggio all economia nazionale e una maggiore aggressività sul piano dell economia estera,che fu la base delle politiche di espansione coloniale delle maggiori potenze. 42

44 La conseguenza più grave della caduta dei prezzi fu certamente lo svilupparsi di una grave crisi agraria che interessò l europa negli ultimi decenni dell ottocento, ma non colpì i paesi più sviluppati, nei quali i progressi portarono ad una vera e propria rivoluzione agricola. La concorrenza spietata dei prodotti agricoli statunitensi, sempre più a buon mercato, produsse gravi conseguenze come l inasprimento della conflittualità sociale e la forte emigrazione transoceanica. Il calo dell agricoltura in rapporto alle attività economiche fu comune a tutti i paesi industrializzati. Caratteristica saliente di questo periodo fu la stretta correlazione tra scienza, tecnologia e produzione, e il rinnovamento tecnologico si concentrò principalmente sulle industrie giovani: chimica, elettrica e dell acciaio, aprendo nuove prospettive un po in tutti i settori produttivi. Come abbiamo già detto, la produzione di energia elettrica (soprattutto con l illuminazione) e l invenzione del motore a scoppio rivoluzionarono la vita quotidiana, insieme alla trasformazione scientifica e ai progressi della medicina e dell igiene. Questi ultimi due aspetti, uniti al notevole sviluppo dell industria alimentare, determinarono in Europa un calo della mortalità, che fu la causa di un sensibile aumento della popolazione, nonostante la diffusione dei metodi contraccettivi. 43 Mappa

45 Henry Ford Henry Ford, born in 1863, grew up on a prosperous family farm in Michigan. Henry enjoyed a childhood typical of the rural nineteenth century, spending days in a one-room school and doing farm chores. At an early age, he showed an interest in mechanical things and a dislike for farm work. In 1879 Ford moved to the nearby city of Detroit to work as an apprentice machinist, although he did occasionally return to help on the farm. He remained an apprentice for three years and then returned to Dearborn. Henry spent the next few years, operating and repairing steam engines and taking care of his father's farm implements. In 1891, Ford became an engineer with the Edison Illuminating Company in Detroit. This event signified a conscious decision to dedicate his life to industrial pursuits. Henry Ford The Quadricycle His promotion to Chief Engineer in 1893 gave him enough time and money to devote attention to his personal experiments on internal combustion engines. These experiments culminated with the creation of his own selfpropelled vehicle, the Quadricycle. The Quadricycle had four wire wheels and had only two forward speeds with no reverse. Although Ford was not the first to build a self-propelled vehicle with a gasoline engine, but surely he was one of the most important automotive pioneers. 44

46 Industrial success After two unsuccessful attempts to establish a company to manufacture automobiles, the Ford Motor Company was incorporated in 1903 with Henry Ford as vice-president and chief engineer. The company produced only a few cars a day at the Ford factory in Detroit, where groups of two or three men worked on each car. Ford realized his dream of producing an automobile that was reasonably priced and reliable with the introduction of the Model T in The twenty millionth Model T Ford This vehicle started a new era in personal transportation. It was so easy to handle and maintain that immediately become a huge success. In 1918, half of all cars in America were Model T. To meet the growing demand for the Model T, the company opened a larger factory in Michigan. Here Henry Ford standardized the famous continuous assembly line. Workers remained in place, adding one component to each automobile as it moved past them on the line. 45

47 The introduction of the moving assembly line revolutionized automobile production by significantly reducing assembly time and lowering costs. Ford's production of Model T made his company the largest automobile manufacturer in the world. The company constructed one the world's largest industrial complex along the banks of the Rouge River in Michigan, between 1910s and 1920s. By September 1927, all steps in the manufacturing process took place at the vast Rouge Plant, characterizing Henry Ford's idea of mass production. Under Fordism, mass consumption combined with mass production to produce sustained economic growth and widespread industrial advancement. The Rouge Plant, Michigan 46 Mappa

48 Bibliografia Storia del motore a scoppio e seconda rivoluzione industriale: Storia dal 1650 al 1900 Editori Laterza Henry Ford: Termodinamica e funzionamento motore a scoppio: Le idee della fisica volume secondo Zanichelli Benzine e derivati del petrolio: Chimica applicata: la chimica del carbonio e la chimica nell industria Zanichelli it.wilkipedia.org It.encarta.msn.com 47 Mappa