IL MOTORE A QUATTRO TEMPI

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1 IL MOTORE A QUATTRO TEMPI LE QUATTRO FASI 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 1 a 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. 2 a 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. Affinché 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

2 atmosfere. Si ricorda che un'atmosfera è uguale alla pressione esercitata da circa 1 kg sulla superficie di 1 cm 2. Durante questa fase anche la temperatura della miscela aumenta per effetto della compressione raggiungendo, sempre per motori normali, i C. Al termine di questa fase la miscela viene a trovarsi nelle migliori condizioni perché 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. 3 a 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 ( atmosfere ) e sul pistone, una forte spinta verso il PMI. I gas combusti, espandendosi, diminuiscono di pressione e di temperatura, talché, 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. 4 a 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

3 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. Poiché 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. 1 a FASE - ASPIRAZIONE 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. La miscela entra nel cilindro chiamata dalla depressione che il pistone provoca nella corsa discendente. Durante la fase di aspirazione nell'interno del cilindro si deve verificare una pressione inferiore a quella atmosferica (depressione) e di tanto inferiore quanto maggiori sono la resistenza che la miscela stessa incontra nelle tubazioni e quanto maggiore è la velocità con cui la miscela è richiamata, cioè in prima approssimazione quanto più elevato è il regime di rotazione del motore. Come vedremo in seguito trattando la fase di scarico che nel succedersi dei cicli precede immediatamente la fase di aspirazione, una piccola quantità di gas di scarico rimane nel cilindro a fine scarico e ad una pressione leggermente superiore a quella atmosferica, per cui la prima parte di corsa discendente del pistone, in fase di aspirazione, non servirà ad altro che a riportare tali gas alla pressione atmosferica e non si avrà quindi alcun fenomeno di aspirazione attraverso il carburatore; solo dopo una piccola corsa del pistone s'inizierà la parte utile della fase. Giunto il pistone al PMI, finita cioè la fase di aspirazione, la miscela nell'interno del cilindro si troverà ad una pressione inferiore a quella atmosferica, cioè non si sarà verificato il riempimento completo del cilindro con miscela fresca e alla pressione atmosferica. Pertanto, quando il piscone, cominciato il moto di salita verso il PMS (fase di compressione), l'avrà riportata ad una pressione pari alla pressione atmosferica, la miscela occuperà un volume che è inferiore a quello del cilindro. Definiremo perciò "renidmento volumetrico" il rapporto tra la quantità di miscela che effettivamente entra nel cilindro durante la fasi di aspirazione e la quantità di miscela che dovrebbe entrare se venisse completamente riempito il cilindro a pressione atmosferica ossia se si potesse ottenere un "riempimento completo". Tale rendimento si ripercuote evidentemente sul rendimento totale del motore e di conseguenza sulla potenza del motore stesso. Il suo valore, a valvola a farfalla aperta, si aggira sull'80%. Gli accorgimenti principali per aumentare questo rendimento, per avere cioè il massimo di miscela

4 aspirata ad ogni ciclo, sono i seguenti quattro: 1) Anticipo all'apertura della valvola di aspirazione Con tale accorgimento si sfrutta la depressione che si ha sulla valvola di aspirazione durante la fine della fase di scarico, in cui i gas combusti, essendo stati, diremo così, incanalati verso la valvola di scarico, possiedono un'inerzia tale da non essere più spinti verso l'atmosferca esterna ma dal pistone che sta salendo verso il PMS, ma da essere richiamati dalla colonna di gas che si scarica attraverso le tubazioni di scarico e che raffreddandosi diminuisce il proprio volume e quindi la propria pressione. Evidentemente l'anticipo dell'apertura della valvola di aspirazione non può superare alcuni limiti che dipendono fondamentalmente dal regime di rotazione del motore, dalla forma della camera di scoppio e dalle tubazioni di scarico. Un anticipio troppo spinto, può produrre l'aumento del rendimento volumetrico del motore, ma può produrre anche degli inconvenienti come quello dei ritorni di fiamma. 2) Ritardo alla chiusura della valvola di aspirazione La valvola di aspirazione, come abbiamo visto nel ciclo teorico, dovrebbe chiudersi nell'istante in cui il pistone ha raggiunto il PMI; in realtà essa viene mantenuta invece aperta anche durante la prima parte della corsa ascensionale del pistone e ciò per sfruttare un fenomeno del tutto analogo a quello a cui abbiamo accennato per i gas di scarico nel paragrafo precendente. La colonna di miscela aspirata per effetto della depressione creata nel cilindro dalla discesa del pistone, acquista una certa velocità che provoca nella colonna stessa un'inerzia, per cui, anche mancando la causa che ha provocato l'aspirazione (fine dell'aspirazione da parte del moto del pistone), essa continua (per inerzia) ad entrare nel cilindro e a portare molto prossima alla pressione atmosferica la pressione della miscela nell'interno del medesimo. Con tale artificio si aumenta il rendimento volumetrico del motore. Anche in tale caso il ritardo alla chiusura non può superare certi limiti che dipendono da tipo a tipo di motore, altrimenti si verificherebbe non già un aumento, ma una diminuzione nel rendimento del motore stesso. Un ritardo eccessivo alla chiusura della valvola di ammissione provoca il così detto rifiuto sul carburatore, cioè si verifica che una parte di miscela viene respinta verso il carburatore dal pistone che, salendo verso il PMS, compie la fase di compressione. 3) Diminuzione delle resistenze nei condotti di aspirazione Come già abbiamo detto, la depressione che si deve creare nel cilindro per poter accelerare ed avviare la miscela nelle tubazioni di aspirazione è tanto maggiore quanto maggiori sono le resistenze (perdite di carico) che la miscela incontra nel suo tragitto che, iniziando dal depuratore d'aria, va agli ugelli del carburatore, al collettore di aspirazione, ai condotti di aspirazione nell'interno della testa e al passaggio sulla valvola (attraverso cioè quello spazio anulare che si viene creando, a valvola aperta, tra la sede della valvola e il fungo della testa). Tali resistenze, oltre a far perdere una parte della corsa utile del pistone in discesa verso il PMI, frenano pure la corrente di miscela che, come abbiamo visto nel punto 2), tende ad avanzare ancora verso il cilindro anche quando il pistone raggiunto il PMI non provoca più direttamente alcuna aspirazione. Le perdite di carico tendono cioè a ridurre in vantaggio che si otterrebbe dando alla valvola di aspirazione un forte ritardo alla chiusura. La diminuzione delle resistenze nei condotti di aspirazione è sempre vantaggiosa e si ottiene dando un'appropriata forma ai condotti stessi, evitando forti gomiti, variazioni repentine di sezione, curando la levigatura delle superfici interne (lucidatura dei condotti) ed aumentando, al massimo consentito dall'alesaggio e dalla forma della testa, il diametro delle valvole di aspirazione. 4) Diminuzione delle resistenze nei condotti di scarico. Il fenomeno indicato al punto 1) di inizio di aspirazione dovuto ai gas di scarico, è evidentemente tanto più sensibile quanto maggiore è la velocità e quindi l'interzia posseduta dai gas medesimi, velocità e inerzia che aumentano se lungo le tubazioni di scarico i gas non sono frenati da resistenze dovute a rugosità delle superfici, a gomiti bruschi, a variazioni repentine di sezione. 2 a FASE - COMPRESSIONE. Gli accorgimenti adottati nella fase di aspirazione permettono di introdurre un maggiore quantitativo di miscela e permettono altresì di realizzare una maggiore compressione finale nel ciclo pratico con conseguente avvicinamento della curva di compressione pratica a quella teorica, il che vuol dire miglioramento del rendimento termico. Il rendimento termico può essere ancora migliorato limitando allo stretto necessario il raffreddamento delle pareti del cilindro e della camera di scoppio. 3 a FASE - ACCENSIONE ED ESPANSIONE.

5 Teoricamente l'accensione della miscela dovrebbe avvenire quando il pistone è al PMS, al termine cioè della fase di compressione. Praticamente invece si è riscontrato che è vantaggioso produrre l'accensione con un certo anticipo, dato ceh l'accensione di tutta la miscela per quanto brevissima ha una durata che raggiunge 1/500-1/1000 di secondo e in tale tempo il pistone, per quanto poco, percorre una certa frazione della corsa. E' evidente infatti che la pressione massima (completa accensione della miscela) deve essere raggiunta quando il pistone è al PMS. Abbiamo giustificato l'anticipo all'accensione mettendo in relazione il tempo di combustione della miscela con il moto o meglio con la velocità di traslazione del pistone; è evidente quindi che quanto maggiore è la velocità con cui il pistone si muove nel cilindro tanto maggiore deve essere l'anticipo all'accensione, poiché la durata di accensione per la medesima miscela, a parità di forma di camera di scoppio e di posizione della candela, si può ritenere costante. Da qui risulta subito che, poiché un motore non gira ad un regime costante nel tempo, ma nell'utilizzazione pratica ha un campo anche piuttosto vaasto di regimi di rotazione, tale anticipo deve essere variabile e deve aumentare con l'aumentare del regime di rotazione del motore. Vedremo nellaparte dedicata agli organi dell'accensione come ciò sia ottenuto automaticamente. Anche nell'anticipo all'accensione vi sono dei limiti che non si possono superare. Infatti se l'anticipo fosse tale che la massima pressione di scoppio si verficasse prima che il pistone raggiungesse il PMs (cioè mentre il pistone è ancora in fase di compressione) su di esso si eserciterebbe una pressione che tenderebbe a fare girare indietro il motore. Tale fenomeno si verifica con secchi battiti sul pistone che sono facilmente ascoltabili (eccesso d'anticipo) All'accensione segue l'espansione che, come del resto la compressione, differisce un poco dalla corrispondente fase del ciclo teorico, perché in realtà fra gas e cilindro avvengono cessioni di calore: non approfondiremo però questo concetto che ha le sue radici nel vivo della termodinamica. Ci limiteremo qui a dire che sono un appropriato raffreddamento del motore, come già nella fase di compressione, può regolare tali scambi di calore in modo tale da fare avvicinare il più possibile le due curve teorica e pratica. 4a FASE - SCARICO Lo scarico dei gas combusti nell'atmosfera avviene attraverso tubazioni che oppongono una cerca resistenza. Il pistone quindi deve fare un lavoro che, ai fini dell'utilizzazione della potenza ricavabile dal motore è negativo. Tale lavoor sarà tanto maggiore quanto più grandi sono le resistenze offerte dai condotti di scarico, cioè quanto più lunghe sono le tubazioni, minori le sezioni di passaggio e repentini i cambiamenti di direzione e sezione. Per ottenere che il lavore negativo di scarico diminuisca al massimo, ossia perché la linea di trasformazione del diagramma pratico relativa allo scarico si avvicini il più possibile a quella del diagramma teorico occorre:1) abbassare rapidamente la pressione interna nel cilindro aprendo in anticipo la valvola di scarico (prima cioè che il pistone abbia raggiunto il PMI ultimando la fase di espansione ). Con tale accorgimento si mette in comunicazione il cilindro, nel cui interno la pressione è ancora sensibile (3-4 atmosfere), con l'ambiente esterno a pressione atmosferica. I gas combusti si trovano quindi spinti dalla propria pressione verso l'esterno e si riduce quindi il lavoro del pistone nella fase di scarico. A prima vista semprebrebbe però che il risparmio del lavoro di scarico andasse a dretrimento del lavoro attivo ottenuto nella fase di espansione in quanto si raccorcia la medesima; in realtà ciò è vero solo in parte; infatti si può osservare che l'area (cioè come abbiamo visto il lavoro) che viene in tal modo inutilizzata, è inferiore all'area negativa (lavoro negativo o passivo) che si risparmia nella successiva fase di scarico. Anche in questo caso l'anticipo allo scarico non può raggiungere valori elevati senza una diminuzione del rendimento totale del motore, perché infatti si verificherebbe che l'area non utlizzata corrispondente all'espansione sarebbe superiore alla'area risparmiata corrispondente allo scarico; si diminuirebbe così l'area utile del diagramma motore a cui corrisponde il lavoro otteniile dal motore stesso; 2) ridurre la contropressione di scarico, ossia le perdite di carico, il che si ottiene dimensioando opportunamente le tubazioni, dando al collettore di scarico una forma tale che gli scarichi dei vari cilindri non si disturbino a vicenda, ma possano essere avviati singolarmente per un sufficiente tratto e vengano riuniti solo quando la loro velocità è diminuita e la temperatura abbassata. Importante è pure il raffreddamento del tubo di scarico. Infatti, come è noto, i gas raffreddandosi diminuiscono di volume e quindi diminuisce la loro velocità nei condotti con la conseguente diminuzione delle perdite di carico (la perdita di carico è proporzionale alla velocità=. La lunghezza del tubo di scarico sarà quindi tale da assicurare un buon raffreddamento tenendo però presente che le perdite di carico aumentano per effetto della maggior lunghezza del tubo di scarico. Questi accorgimenti per aumentare il rendimento del motore, ossia per avvicinare al massimo il ciclo pratico a quello teorico e che qui sono stati illustrati a grandi linee, saranno ripresi particolarmente in seguito trattando i vari organi del motore e saranno dati i valori usati nelle macchine di normale costruzione. E' però evidente sin d'ora che non si potrà mai dare una legge assoluta che regoli tali valori, dato che essi sono influenzati da troppi fattori difficili da individuare e padroneggiare. Ma con l'esperienza, le continue prove al banco e su strada si potrà pervenire ai migliori risultati che con solo calcolo non permette di raggiungere. Created by Alex *crackman*