Motori 4 tempi a ciclo Otto

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1 Motori 4 tempi a ciclo Otto 1. Premessa I motori automobilistici più comuni sono del tipo a combustione interna quattro tempi e appartengono a due grandi famiglie, a seconda del tipo di combustibile impiegato e del conseguente ciclo termodinamico sviluppato: benzina (più raramente, metano o GPL) oppure gasolio. I motori del primo gruppo (motori a benzina o a metano o a GPL) funzionano secondo il cosiddetto "ciclo Otto" e sono detti anche "ad accensione comandata" o "AS" (Accensione per Scintilla). I motori del secondo gruppo (motori a gasolio) funzionano invece secondo il cosiddetto "ciclo Diesel" e sono detti anche "AC" (Accensione spontanea per Compressione). In entrambi i casi, comunque, si può correttamente parlare di motori endotermici alternativi: essi trasformano in lavoro (tramite pistoni e cinematismi biella-manovella) una parte del calore che si ricava bruciando combustibili nel loro interno; la caratteristica principale di questi motori è l alto rendimento. In questo articolo ci occuperemo dei motori 4 tempi a ciclo Otto a carburazione ed a iniezione. 2. Ciclo Otto Come rappresentato nella figura sotto riportata, il ciclo Otto per motori a 4 tempi si compie nelle seguenti fasi: 1-2 corsa e fase di aspirazione 2-3 corsa e fase di compressione 3-4 fase di combustione 4-5 corsa e fase di espansione 5-6 fase di scarico spontaneo 6-7 corsa e fase di scarico

2 3. Ciclo teorico Il ciclo teorico a volume costante (figura in basso) è formato da una compressione adiabatica, una combustione a volume costante, una espansione adiabatica ed uno scarico a volume costante. Tale ciclo viene usato nella fase progettuale di un propulsore. Il termine adiabatico deriva dal greco adiàbathos e significa impenetrabile (al calore), termicamente isolante : dunque, per compressione adiabatica e per espansione adiabatica si intendono fasi con, rispettivamente, miscela e gas a temperatura costante (quindi, senza che si verifichi scambio di calore con l esterno). 4. In pratica Ma vediamo praticamente come si susseguono le fasi in un motore 4 tempi a ciclo Otto.

3 Nella fase di aspirazione, il pistone si muove verso il PMI (il Punto Morto Inferiore: il pistone si trova nella parte più bassa del cilindro) provocando una depressione che, attraverso la valvola di aspirazione aperta, fa entrare l aria a forte velocità nella camera di combustione: l'aria si miscela poi con il carburante, alla quantità teorica del rapporto stechiometrico. Quando il pistone si trova al punto morto inferiore, la valvola di aspirazione teoricamente si chiude. Dal punto morto inferiore, il pistone risale verso il PMS (il Punto Morto Superiore: il pistone si trova nella parte più alta del cilindro) e inizia la fase di compressione. La miscela aria-carburante viene progressivamente spinta nella parte superiore del cilindro chiamata camera di scoppio. Tale miscela, a causa della compressione, subisce un aumento di temperatura: pertanto si trova nella condizione ideale per esplodere e, successivamente (cioè quando appunto il pistone si trova al punto morto superiore), con lo scoccare della scintilla (2 scintille nel caso dei motori Twin Spark), esplode. Tale esplosione fa sì che aumenti notevolmente la pressione nella camera di scoppio, grazie all espansione che ne consegue: la conseguenza è che il pistone viene spinto verso il punto morto inferiore. Quando la corsa del pistone (cioè, lo spostamento del pistone da un punto morto all'altro) termina al punto morto inferiore, si apre la valvola di scarico e, grazie all inerzia del pistone e degli altri organi connessi, esso tende a risalire e ad espellere i gas combusti che si trovano all interno del cilindro. 5. Anticipo e posticipo di apertura e chiusura delle valvole Non sempre però le valvole di aspirazione e scarico si aprono nel momento in cui il pistone si trova in uno dei due punti morti. Vediamo perché. Nel caso della fase di aspirazione, quando viene messa in comunicazione la camera del cilindro con l ambiente esterno, l aria che per depressione tende ad entrare assume una certa velocità. Pertanto, la valvola di aspirazione non conviene farla chiudere nel momento in cui il pistone ha raggiunto il punto morto inferiore, poiché nonostante la risalita del pistone verso il punto morto superiore (e quindi la fase di compressione) l aria continuerà ad entrare nel cilindro grazie all inerzia acquisita. Proprio per questo, quindi, la chiusura della valvola di aspirazione è posticipata rispetto alla fine della fase di aspirazione. Al contrario, nel caso della fase di scarico, conviene anticipare l apertura della valvola di scarico, facendo sì che tale apertura si abbia quando ancora il pistone non ha raggiunto il punto morto inferiore durante la fase di espansione. Questo avviene per sfruttare l energia dell esplosione ancora attiva. Giusta obiezione sarebbe quella secondo la quale, così facendo, parte dell energia andrebbe persa senza rendimento alcuno. E in effetti è così, solo che la parte dell energia persa è inferiore all energia di cui avrebbe necessariamente bisogno il pistone per iniziare la sua corsa dal punto

4 morto inferiore al punto porto superiore incontrando il cilindro completamente pieno di gas combusti. Immaginiamo che il pistone (dopo la fase di espansione) abbia raggiunto il punto morto inferiore e debba incominciare la risalita verso il punto morto superiore spingendo fuori tutti i gas combusti che riempiono il cilindro: ebbene, l energia di cui il pistone avrebbe bisogno per premerli fuori (attraverso la valvola di scarico) sarebbe elevata; al contrario, con questo accorgimento, quando il pistone incomincia la risalita verso il punto morto superiore, i gas combusti stanno già uscendo attraverso la valvola di scarico grazie alla pressione dovuta all esplosione della miscela. Pertanto questo accorgimento rende i propulsori molto più lineari nel loro rendimento. 6. Anticipo d'accensione Oltre al posticipo della chiusura della valvola di aspirazione e all'anticipo dell'apertura della valvola di scarico, un altro importante accorgimento è rappresentato dall anticipo dell accensione. Teoricamente, la miscela dovrebbe esser fatta esplodere nel momento in cui il pistone si trova nel punto morto superiore. Nella pratica, però, questo fenomeno viene leggermente anticipato poiché, per esplodere completamente e fornire la pressione massima, la miscela aria-benzina ha bisogno di un certo periodo di tempo: quindi, per dare alla miscela il tempo di bruciare completamente, la scintilla della candela (2 candele nel caso dei motori Twin Spark) viene fatta scoccare prima che il pistone raggiunga il punto morto superiore. E' proprio grazie all'anticipo d'accensione che, quando il pistone si trova nel punto morto superiore, si riesce ad ottenere la massima pressione. L'anticipo d'accensione è in funzione del numero di giri e va proporzionalmente aumentato a partire da pochi gradi (al regime minimo) fino a circa 40 rispetto al punto morto superiore: proprio per questo, gli impianti d'accensione sono dotati di sistemi per variare l'anticipo basandosi su vari parametri quali, per esempio, il regime di rotazione, il carico del motore (cioè, il grado di apertura della farfalla dell'acceleratore) e la temperatura. In ogni caso, come regola generale, l'istante di accensione dovrebbe essere tale che quando il pistone raggiunge il punto morto superiore l'aumento di pressione è la metà di quello a fine combustione. 7. Rendimento Generalmente parlando, per rendimento si intende il rapporto tra quanto si ottiene e quanto si spende in un trasferimento d'energia. Se di motopropulsione parliamo, il rendimento è il rapporto tra il lavoro che si sviluppa nel cilindro ed il calore speso per ottenerlo. L energia effettivamente introdotta sotto forma di calore subisce la seguente ripartizione: 35-40% costituisce il lavoro indicato; % costituisce il lavoro utile; 3-7 % viene dissipato in attriti nei cuscinetti di banco, nelle teste di biella, negli organi ausiliari, nei pistoni; % perdite di raffreddamento; % perdite di scarico. Pertanto avremo che: il rendimento indicato (cioè il rapporto tra il lavoro che si sviluppa nel cilindro ed il calore speso per ottenerlo) = 0,35-0,45 il rendimento meccanico (cioè il rapporto tra il lavoro utile ed il lavoro indicato) = 0,75-0,90 il rendimento effettivo (cioè il prodotto tra il rendimento indicato e il rendimento meccanico) = 0,27-0,40 Ricordiamo che il valore di rendimento varia da 0 ad 1, dove con 1 si indica un sistema con perdite pari a 0 (quindi, tanto più un sistema ha un rendimento alto, tanto più il valore tenderà ad 1). Per migliorare il rendimento, si devono ridurre gli attriti interni e le perdite di pompaggio (da cui deriva, per esempio, l'uso dei variatori di fase); utile è anche alzare il rapporto di compressione per migliorare il ciclo termodinamico. A questi interventi, poi, vengono affiancati anche accorgimenti esterni al motore quali, per esempio, la riduzione degli attriti, la riduzione della resistenza al rotolamento dei pneumatici, l'uso di carrozzerie aerodinamiche, ecc. 8. Variatore di fase e condotti di aspirazione a geometria variabile Da quanto detto sopra è chiaro che sui propulsori di ultima generazione la ricerca dei progettisti è indirizzata verso l'ottenimento di un equilibrio perfetto del ciclo di combustione limitando le perdite. Però è ovvio che i propulsori non hanno velocità costanti: da qui l esigenza di variare gli angoli di apertura delle valvole in proporzione alla velocità angolare (rad/sec, cioè il numero di giri compiuti nell unità di tempo da un punto mobile attorno al proprio centro) assunta dal motore.

5 Il variatore di fase, come si intuisce dal suo stesso nome, agisce variando la fasatura della distribuzione. Esso può essere montato sui propulsori dotati di doppio albero a camme in testa (a tal proposito ricordiamo che quelli Alfa Romeo non hanno avuto bisogno di adattamenti, in quanto il sistema Twin Cam è una delle caratteristiche che, nei motori Alfa Romeo, da sempre hanno fatto la differenza) e ciò accade perché tale organo agisce solo sulle valvole di aspirazione. In pratica, all aumentare dei giri del motore viene posticipata sia la chiusura che l apertura delle valvole di aspirazione, arrivandosi così al risultato di variare l'entità del cosiddetto "incrocio", cioè il momento durante il quale le valvole di aspirazione e le valvole di scarico restano aperte contemporaneamente: tale momento si verifica attorno al punto morto superiore, al termine della fase di scarico. I condotti di aspirazione a geometria variabile, invece, servono a mantenere fasato il ritorno dell onda di compressione (cosiddetto "effetto ram") con l istante di massima apertura della valvola: la lunghezza di tali condotti viene variata in modo inversamente proporzionale al numero dei giri del motore. 9. Materiali impiegati Un punto critico nella progettazione di un motore è il calcolo dei pesi. Ricordiamo che l inerzia del moto conservata da un componente dipende dalle dimensioni e dal peso specifico con cui è stato realizzato. Pertanto, gli studi oggi ci portano a concepire alcuni organi in movimento in leghe di alluminio (per esempio, i pistoni): questo per permettere la variazione del proprio stato d inerzia con un assorbimento quanto minore possibile di energia. 10. Conclusioni Tutti i sistemi destinati ad aumentare il rendimento dei propulsori sono molto costosi e rendono molto più complessa la progettazione degli stessi: molti di essi, quindi, vengono adottati nelle categorie medio-alte di vetture. I propulsori oggi realizzati dall Alfa Romeo sono ai vertici della categoria, e il lavoro dei tecnici e i progettisti consente alle auto in costruzione grinta, potenza, affidabilità, silenziosità e prontezza di risposta a tutti i regimi. Alfa Romeo continua a far viaggiare i sogni degli italiani, continuando ad essere simbolo di sportività italiana allo stato puro, simbolo di prepotenza ottenuta con tutta tranquillità, simbolo di naturalezza, simbolo di eleganza e disinvoltura, simbolo della tecnologia più avanzata...il simbolo di un dettaglio unico chiamato Alfa Romeo.

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