Motore a scoppio

Nell’articolo di oggi andremo a vedere il funzionamento di un motore a scoppio nelle sue varianti a seconda dell’alimentazione (benzina o diesel) e a seconda del numero di tempi (4 o 2 ), analizzando pro e contro di ciascuna. Buona lettura!

Motore a scoppio – principio di funzionamento generale

Il principio base del motore a scoppio è la trasformazione dell’energia sprigionata dalla combustione del carburante in energia meccanica, trasformazione ottenibile grazie al sistema pistone-cilindro. Il sistema di movimentazione lineare è infatti messo in movimento dall’energia sprigionata dallo “scoppio” che si innesca quando il carburante immesso nella camera si accende e brucia. Il cilindro resta la parte fissa, il pistone la parte mobile, mentre la camera di combustione è la parte di spazio libero che si forma tra i due, come mostrato in immagine.

Ma come è possibile convertire un moto lineare (cilindro-pistone) in un moto circolare (albero motore)? la risposta è molto semplice: con il cosiddetto sistema biella-manovella. Il principio è esattamente lo stesso che ci permette di andare in bicicletta: analizzando il movimento del ginocchio, esso si muoverà principalmente lungo la verticale, mentre lo stelo del pedale avrà un movimento circolare attorno ad uno dei suoi estremi. La parte inferiore della gamba congiungerà questi 2 elementi, collegando appunto un sistema dal moto lineare in uno dal moto circolare. In questo caso chiamiamo biella la parte inferiore della gamba e manovella lo stelo dei pedali. Il cilindro-pistone si muove sulla stessa logica, secondo quanto riportato nell’immagine sotto

• 

Motori a 4 tempi e motori a 2 tempi

Andiamo ora ad analizzare le fasi ed i tempi del motore. La prima considerazione riguarda il numero di fasi: qualsiasi motore a scoppio compone il proprio ciclo di 4 di esse, che rispettivamente sono

• aspirazione di aria e carburante nella camera del cilindro
• compressione degli elementi appena immessi
• combustione (o scoppio)
• scarico, ovvero fuoriuscita di tali elementi

I tempi di un motore non sono altro che le cadenze all’interno delle quali vengono racchiuse le fasi in questione (in particolare, un tempo corrisponde a mezzo ciclo del sistema cilindro-pistone).

Nel motore a 4 tempi, il ciclo avviene come segue:

1. Discesa 1 del pistone: questo fa si che la camera si “apra” e vengano inseriti aria+carburante per mezzo dell’apertura della valvola di aspirazione
2. Salita 1 del pistone: la valvola di aspirazione viene chiusa, pertanto la salita del pistone comprime ciò che è presente della camera di combustione
3. Discesa 2 del pistone: quando il pistone stesso è in massima salita, avviene la combustione della miscela carburante-aria (vedremo poi come avviene, a seconda che stiamo usando benzina o gasolio). L’energia sprigionata dallo scoppio fa muovere il pistone
4. Salita 2 del pistone: durante la seconda salita si apre la valvola di scarico ed i gas combusti escono

Nel motore a 2 tempi, il ciclo è il seguente:

1. Salita 1 del pistone: la valvola di aspirazione viene aperta durante la prima metà della salita, per permettere a carburante ed aria di entrare, mentre nella seconda metà avverrà la compressione
2. Discesa 1 del pistone: in fase di massima salita, avviene la combustione che fa scendere il pistone. Durante la fase finale della discesa, si apre la valvola di scarico

Ciò che è evidente quindi è che un motore 4 tempi fornisce 1 scoppio ogni 2 giri, un motore 2 tempi 1 scoppio al giro. A parità di giri, dunque, la potenza erogata da un motore 2 tempi dovrebbe essere doppia rispetto ad un 4 tempi (poichè il numero di “spinte” è doppio). E’ infatti risaputo dagli esperti del settore che un motore 2 tempi si comporti in maniera più nervosa di quest’ultimo.

In realtà dico dovrebbe essere doppia, poichè vi è anche un discorso di efficienza da considerare. Il motore 2 tempi “comprime” 2 fasi in 1 rispetto al motore 4 tempi, pertanto questo comporta che parte del carburante non riesca ad entrare in tempo per subire il processo di combustione e passi direttamente allo scarico. A parità di carburante inserito, nel motore 2 tempi sarà inferiore quello sfruttato ai fini della combustione.

A prescindere da quest’ultima osservazione, è comunque chiaro che un motore 2 tempi avrà dei consumi maggiori rispetto ad un motore 4 tempi (il carburante inserito è doppio nel primo caso).

La tendenza delle case automobilistiche/motociclistiche è quella ad utilizzare motori 2 tempi per le cilindrate piccole e motori 4 tempi per quelle grosse, poichè:

• un motore piccolo ha cilindri piccoli, pertanto il carburante che viene assorbito ad ogni aspirazione non è molto: è invece importante sfruttare al massimo l’erogazione di potenza. Un esempio tipico di motori a 2 tempi sono quelli degli scooter
• un motore grosso deve gestire consumi maggiori ed evitare che l’erogazione eccessiva di potenza lo renda un “mostro indomabile”: per questo motivo si tende ad utilizzare motori 4 tempi

Motori a benzina e motori diesel

Andiamo ora ad analizzare e paragonare motori a benzina e motori diesel (o a gasolio). Entrambi i motori rispondono alla differenziazione descritta sopra (possono quindi essere in versione 4 tempi e 2 tempi).

La differenza sostanziale, dovuta alla tipologia di carburante, risiede proprio nell’accensione dello stesso. La miscela aria-benzina, in fase di compressione, deve essere “accesa” tramite una scintilla, che viene generata da una candela.

Aria e benzina vengono immessi nel cilindro, già miscelati, durante la fase di aspirazione. La miscelazione può avvenire all’interno di un carburatore, se presente nel sistema di alimentazione, o direttamente a monte della valvola di aspirazione, se si tratta di un sistema ad iniezione diretta.

Il gasolio, invece, è autoinnescante, percui raggiunto un certo livello di temperatura e compressione del materiale, esso si accenderà in autonomia. Di conseguenza, sfruttando il fatto che un gas compresso si riscaldi, l’aria viene immessa in fase di aspirazione e successivamente compressa (in fase di compressione). Il carburante viene invece immesso, già pre-compresso, in fase di massima compressione del cilindro, ovvero quando il pistone è nel punto più alto del proprio ciclo, così che esso trovi una temperatura maggiore della propria temperatura minima di accensione e pertanto si autoinneschi.

In questo caso, carburante ed aria non vengono pre-miscelati ed immessi contemporaneamente: per i motori a gasolio, infatti, non si parla mai di carburatore, bensì sono presenti i cosiddetti iniettori del gasolio direttamente nel cilindro (sistemi come il common rail piuttosto che il JTD / multijet sono tutti sistemi di gestione dell’alimentazione del gasolio in pre-compressione).

Poichè, nei motori a gasolio, il carburante viene immesso alla fine della fase di compressione, sarà necessaria una frazione di secondo in cui il gasolio si diffonda nella camera prima di autoinnescarsi. Oltre un certo numero di giri/minuto (solitamente 4500), il gasolio stesso non ha più il tempo materiale di svolgere questa operazione; per questo motivo i motori Diesel girano ad un numero di giri più basso rispetto a quelli a benzina.

E’ risaputo che un motore a gasolio ha consumi inferiori rispetto ad un motore a benzina. Questo è dovuto principalmente a 3 fattori dipendenti dalle caratteristiche fisico-chimiche dei 2 carburanti:

• Rapporto aria-carburante: nel caso del motore Diesel è maggiore rispetto al motore benzina, perciò per una stessa quantità di aria serve meno gasolio rispetto che benzina
• Rapporto di compressione maggiore: il rapporto di compressione che deve raggiungere il gasolio per avere un’auto-combustione è superiore a quello della benzina, pertanto ogni espansione di un motore diesel sarà in grado di sprigionare più energia rispetto ad uno scoppio di un motore a benzina
• Densità del materiale: un litro di gasolio è più pesante di un litro di benzina. Percui, a parità di massa di carburante immessa nel cilindro, il volume (litri) sarà inferiore per il gasolio rispetto che per la benzina. Ciò significa che con un litro di gasolio posso effettuare più cicli rispetto che con un litro di benzina

A questo punto, ci si aspetterebbe un discorso prestazionale da considerare. Per trattare questa parte è però necessaria un adeguata spiegazione sulle turbine, in quanto ricoprono un ruolo fondamentale nelle performances dei motori Diesel. Rimando per questo motivo la trattazione all’articolo di settimana prossima!

Conclusioni

Anche l’articolo di oggi si conclude: spero che sia stato chiaro e di vostro gradimento. Nelle settimane a venire ci addentreremo maggiormente nel discorso “automobile”, analizzandone volta per volta i vari organi e funzioni

A lunedì prossimo

Luca