Motori a combustione Motori Otto e Diesel I motori a combustione interna a movimento alternativo utilizzano principalmente quattro tipi di combustibile, tutti idrocarburi. Benzina, GPL, gas naturale per i motori a ciclo Otto. Gasolio per i motori a ciclo Diesel. Organi del motore alternativo Un motore alternativo puó essere composto da uno o piú cilindri in acciaio o alluminio, cavi al loro interno. Ogni cilindro contiene diversi organi meccanici, che collaborano tra loro per il funzionamento del motore. Il pistone é uno stantuffo di acciaio, che scorre all interno del cilindro. Le valvole sono delle piccole porte che si aprono e chiudono alternativamente, garantendo l ingresso o l uscita dei gas dal cilindro. L albero motore é un asta rotante in acciaio che sostiene i pistoni e trasmette il movimento alle ruote o alle eliche del mezzo. Gli alberi a camme sono delle particolari aste a sezione ovoidale che, ruotando, comandano l apertura delle valvole. I canali di raffreddamento sono delle fessure che circondano il cilindro, all interno delle quali scorre l acqua o l aria che raffredda il motore. La candela é un generatore elettrico di scintille, che serve ad innescare la miscela. La candela si trova solo nel ciclo Otto, poiché nel ciclo Diesel il combustibile si infiamma per solo effetto della pressione. Fasi del motore alternativo Tali motori sono detti a quattro tempi poiché il processo attraversa quattro fasi principali. Ogni due giri dell albero motore, il pistone attraversa le quattro fasi e compie un ciclo. Un motore alternativo gira molto velocemente, compiendo circa 3000 giri in un minuto, ovvero 50 giri in un secondo, corrispondenti a 25 cicli, ognuno composto dalle quattro fasi. 1. Interfase di riposo. A veicolo spento il cilindro si trova in posizione di riposo, nella parte alta del cilindro. 2. Fase 1: aspirazione. La valvola di ingresso si apre, l albero motore trascina il pistone verso il basso, aspirando la miscela fresca di aria e vapore di benzina. 1
2 3. Fase 2: compressione. La valvola di ingresso si richiude, l albero motore spinge il pistone verso l alto, comprimendo la miscela intrappolata nel cilindro. 4. Interfase di accensione. La candela innesca la miscela, che si infiamma rapidamente. 5. Fase 3: espansione. La fiamma si espande verso il basso, spingendo con forza il pistone, che a sua volta trascina l albero motore, e tutto il veicolo ad esso collegato. 6. Fase 4: espulsione. La valvola di uscita si apre, l albero motore spinge il pistone verso l alto, espellendo i gas residui della combustione. Il funzionamento dei motori ciclo Otto e ciclo Diesel é molto simile, con la differenza che nel primo la candela innesca la fiamma, nel secondo la pressione stessa del pistone innesca la fiamma. Tuttavia é molto importante utilizzare il combustibile adatto al tipo di motore, poiché inserendo benzina nel ciclo Diesel o viceversa gasolio nel ciclo Otto, si puó bloccare e danneggiare il motore.
0.1. MOTORI OTTO E DIESEL 3 Figura 1: Componenti del motore alternativo
4 Figura 2: Fasi del motore alternativo
0.2. MOTORE TURBOGAS 5 Motore Turbogas I motori a turbogas utilizzano principalmente due tipi di carburante. Kerose quando montati su aerei o altri veicoli. Gas naturale quando utilizzati per la produzione di energia elettrica. Palette e Giranti L idea alla base è di sfruttare il principio della spinta di sostentamento, secondo il quale un profilo alare, percorso da una corrente di fluido, genera una forza perpendicolare al fluido. Si é pensato di costruire delle piccole ali di acciaio, di forma particolare, dette palette o blades. Decine di palette vengono montate lungo la circonferenza di un disco di acciaio, costituendo una girante. Facendo scorrere del fluido lungo la circonferenza di una girante, si genera una piccola spinta su ogni paletta; l insieme di tutte le spinte pone in rotazione la girante. Proprietá dei gas Con lo sviluppo della tecnologia, si é pensato di utilizzare gas ad alta pressione e ad elevata temperatura, allo scopo di moltiplicare la forza di rotazione delle giranti. Un gas gode infatti di particolari proprietá, che mettono in relazione la sua pressione e la sua temperatura, durante le fasi di espansione e di compressione. Tali proprietá sono descritte dalle leggi dei gas. Quando un gas viene riscaldato: 1. la sua temperatura cresce, 2. la sua pressione aumenta, 3. il gas tenderá ad espandersi, ovvero ad aumentare il suo volume. Quando un gas viene raffreddato: 1. la sua temperatura cala, 2. la sua pressione diminuisce, 3. il gas tenderá a comprimersi, ovvero a diminuire il suo volume. Quando un gas viene compresso dall esterno: 1. il suo volume diminuisce, 2. la sua pressione aumenta, 3. la sua temperatura tenderá a crescere. Quando un gas viene espanso dall esterno: 1. il suo volume aumenta, 2. la sua pressione diminuisce, 3. la sua temperatura tenderá a calare.
6 Compressore e Turbina Infine, unendo le conoscenze sulle proprietà dei gas e sulle giranti, si sono realizzate due turbomacchine: il compressore e la turbina, separate da un combustore. Il Compressore é costituito da circa 15 giranti, montate su un unico albero motore. L albero motore viene posto in rotazione e trascina le giranti ad esso collegate; le numerose palette tendono quindi ad aspirare il gas dall apertura anteriore, comprimendolo e sospingendolo verso l uscita del compressore. Durante il processo il gas si comprime, aumentando la sua pressione e la sua temperatura, e diminuendo il suo volume. Il Combustore é un condotto circolare attraverso il quale scorre il gas. Nel condotto sono inseriti numerosi bruciatori, che iniettano combustibile ad alta pressione, facendo scaturire una fiamma che incendia il combustibile e il gas aspirato. Durante il processo il gas si riscalda, aumentando notevolmente la sua temperatura, raggiungendo all incirca 1500 C. La Turbina é costituita da 3 o 4 giranti, montate su un unico albero motore. Il gas caldo ad elevata pressione fluisce attraverso la turbina, scorrendo lungo le numerose palette, ponendo in rotazione le giranti e trascinando l albero motore ad esse collegato. Durante il processo il gas si espande, diminuendo la sua pressione e la sua temperatura, e aumentando il suo volume. Turbina e compressore vengono collegati allo stesso albero motore; in questo modo la forza generata dalla turbina é sufficiente a porre in rotazione il compressore, e le due macchine si alimentano a vicenda. L insieme di compressore, combustore e turbina prende il nome di turbogas. Utilizzi Il turbogas é una macchina estremamente potente, di peso e dimensioni contenute. Trova numerosi utilizzi in diversi campi. Motore a reazione per aerei. Si utilizzano 3 giranti di turbina e si aggiunge un ugello allo scarico. L ugello é un condotto di forma conica; attraversandolo i gas caldi espulsi dalla turbina accelerano notevolmente, raggiungendo elevatissime velocitá. La velocitá dei gas genera una forza di reazione che spinge il motore e trascina il veicolo ad esso collegato. Motore turbofan per aerei. Si utilizzano 4 giranti di turbina e un ugello allo scarico, inoltre si aggiunge una grande elica detta fan all ingresso del motore. La maggiore potenza fornita dalla quarta girante viene utilizzata per mettere in rotazione il fan. La combinazione della spinta dell elica e della forza di reazione, spinge il motore e trascina il veicolo ad esso collegato. Motore per generazione elettrica. Si utilizzano 4 giranti di turbina e un diffusore allo scarico, per aumentare la potenza trasmessa all albero motore. L albero viene quindi collegato ad un generatore elettrico; il generatore elettrico converte la potenza meccanica dell albero motore in potenza elettrica.
0.2. MOTORE TURBOGAS 7 Figura 3: Palette e girante
8 Figura 4: Componenti del turbocompressore
0.2. MOTORE TURBOGAS 9 Figura 5: Utilizzi del turbocompressore