Motore ad accensione comandata

Un motore ad accensione comandata (o, impropriamente, motore a scoppio) è un particolare tipo di motore a combustione interna dove, a differenza dei motori ad accensione spontanea, la miscela aria-combustibile viene incendiata al comando di una organo infiammatore.

Motore ad accensione comandata a 4 tempi. Le fasi sono:
1. Aspirazione;
2. Compressione;
3. Combustione e espansione;
4. Scarico;

Il fluido operante viene introdotto tramite un impianto d'alimentazione, mentre i prodotti esauriti, detti gas di scarico, vengono espulsi mediante un impianto di scarico; entrambi i flussi sono regolati da apposite valvole.

Introduzione

Detto anche a ciclo Otto, è un convertitore da energia chimica a energia meccanica, il quale viene solitamente alimentato a benzina, la quale viene nebulizzata e mescolata con l'aria per formare una miscela infiammabile. Questa, nei motori volumetrici alternativi, viene aspirata dal pistone all'interno del cilindro dove viene successivamente compressa e incendiata dalla scintilla della candela di accensione. Il motore a benzina trova impiego sui mezzi di trasporto privato quali automobili, ciclomotori, motociclette, auto da corsa e in alcuni aerei ad elica.

Nomenclatura

I motori ad accensione comandata vengono identificati in svariati modi alternativi:

• Motore ad accensione per scintilla - AS (Spark-ignition engine): è, assieme a motore ad accensione comandata, la terminologia tecnicamente più corretta e pone l'accento sul modo in cui viene incendiata la miscela aria-combustibile.
• Motore a carburazione: termine ormai in disuso riferito al sistema di alimentazione con carburatore usato fino agli anni '90 oramai sostituito con sistemi di iniezione elettronica.
• Motore a ciclo Otto: qui si pone l'attenzione sul ciclo termodinamico utilizzato in tutti i motori di questa tipologia e si enfatizza il primo costruttore (Nikolaus August Otto).
• Motore a benzina: questo nome si basa sui combustibili principalmente usati per la realizzazione del ciclo. Tuttavia, occorre sottolineare come criticità che non è l'unico combustibile usato.
• Motore a scoppio: è la terminologia più usata in ambito comune, ma è tecnicamente impropria, in quanto presenta una imprecisione concettuale. Infatti, uno scoppio della miscela corrisponde al fenomeno della detonazione che è distruttivo per il motore (battito in testa). Si ricorda, inoltre, che, in un motore, la combustione è controllata e graduale per massimizzare l'efficienza e la durata dello stesso.

Tipologie

I motori ad accensione comandata più diffusi sono i volumetrici i quali possono essere suddivisi in base al tipo di movimento in:

Motori alternativi

Sono i classici motori presenti sulle automobili comuni. A loro volta possono essere suddivisi in base al numero di corse complete del pistone (tempi motore) necessarie per completare un ciclo termodinamico:

Motori a quattro tempi (4T)

Motore a quattro tempi

I motori a quattro tempi, largamente usati in auto e moto civili, sono caratterizzati da un numero di tempi eguale al numero di fasi che quindi coincidono. Pertanto, i 4T compiono un ciclo completo ogni due rotazioni dell'albero motore.

Dal punto di vista costruttivo sono caratterizzati da avere almeno una valvola a fungo per l'aspirazione e almeno una per lo scarico posizionate sulla testata, posseggono una lubrificazione esterna che non prevede la combustione di olio motore, il quale viene inviato ad alta pressione su tutte le componenti tra cui anche il cilindro, dove la tenuta dell'olio è affidata all'anello raschiaolio, e ricade continuamente nella relativa coppa.

Motori a due tempi (2T)

Motore a due tempi

I motori a due tempi compiono il ciclo in sole due corse del pistone. Dal momento che, quindi, è sufficiente un solo giro dell'albero motore per completare un ciclo, i 2T, teoricamente, sviluppano una potenza doppia a parità delle altre caratteristiche. In questi motori, la lubrificazione è solitamente a perdere e l'olio viene in parte bruciato assieme al combustibile. Inoltre, le fasi di scarico e aspirazione sono parzialmente sovrapposte e costituiscono il lavaggio nel quale, attraverso una leggera pressione, viene fatta entrare la miscela aria-carburante nel cilindro la quale prende il posto dei gas esausti. Tale pressione può essere generata da motore stesso (motore con aspirazione dal carter pompa) o da una pompa esterna (motori con pompa di lavaggio separata).

Altri motori

Oltre ai più noti 4T e 2T esiste il raro motore ibrido a due/quattro tempi e ancora in fase progettuale il motore a sei tempi con l'obiettivo di aumentare l'efficienza.

Motori rotativi

Per innalzare in numero di giri al minuto, senza avere troppe forze d'inerzia da contrastare si possono usare i motori a stantuffo rotativo come il motore Wankel.

Motore Wankel

Motore a stantuffo rotante Wankel

Nel motore Wankel sono presenti tre camere nelle quali avvengono le fasi del ciclo Otto. Il pignone deve possedere un diametro primitivo pari ai due terzi di quello della dentatura del rotore, il quale ha forma quasi triangolare, mentre lo statore è una cassa trocoidale dotata di intercapedini per il passaggio di acqua di raffreddamento. Questo motore presenta però il problema dell'usura precoce del rotore, impedendo la corretta tenuta, e delle emissioni. Infatti, il Wankel prevede una lubrificazione a perdere che porta alla presenza di olio combusto nei gas di scarico (come per i due tempi).

Componenti comuni

Sezione di un motore quattro tempi con valvole in testa

Con riferimento al disegno in sezione al lato, le componenti principali di un motore che basa il suo funzionamento sulla variazione di volume (volumetrico) sono:

Basamento

Realizzato in ghisa o leghe d'alluminio leggere, il basamento è la struttura principale di un motore che ne permette l'ancoraggio con staffe ai supporti motore. Oltre che per evitare un peso eccessivo, dentro viene realizzato generalmente cavo per permettere agli alberi e alle altre parti in movimento di muoversi con la corretta lubrificazione, le quali sono mantenute a temperatura controllata dal liquido refrigerante. In base alle aperture di quest'ultimo, esistono due configurazioni: l'open-deck che presenta le aperture per il liquido refrigerante sulla sommità e il closed deck che invece le ha sui lati.

Cilindri

Dentro il basamento sono realizzati i cilindri, le parti dove scorrono i pistoni. Essi possono essere in numero molto variabile, ma solitamente i motori possono essere monocilindrici o bicilindrici per le piccole applicazioni o a tre, quattro, cinque, sei, otto o dodici cilindri disposti in linea, in opposizione, inclinati a V o W o a stella.

Testata

La testata è la parte superiore di un motore che si occupa di completare e sigillare, con una guarnizione, la camera di combustione. Anche lei è in ghisa o leghe leggere e al suo interno sono presenti la continuazione delle cavità dedicate ad olio e liquido refrigerante del basamento oltre agli alloggiamenti per le candele d'accensione, le valvole e i condotti della miscela aria-combustibile e del gas di scarico. Se questi condotti sono dallo stesso lato si parla di testata a contro-corrente, altrimenti è cross-flow (su lati opposti).

Pistone o stantuffo

È solitamente realizzato nella lega di alluminio-silicio Al Si 12 Cu Ni rinforzato in invar e devono essere leggeri per ridurre l'inerzia. Inoltre, sono sottoposti a notevoli spinte dovute alle pressioni generate durante la combustione (da 30 a 40 bar medi) nella quale si raggiungono temperature elevate mentre la sommità del pistone deve rimanere sotto i 350 °C sul cielo. La forma è leggermente ellittica lungo il lato dove avvengono le spinte laterali, al suo esterno sono ricavati gli scavi per le fasce elastiche di tenuta e raschiaolio, mentre al suo interno sono ricavati i condotti dell'olio e l'alloggiamento dello spinotto dove è incernierata la biella.

Biella

È il componente che si occupa di trasferire il moto di traslazione o dal pistone o dalla testa a croce all'albero a gomiti (meccanismo biella-manovella). Viene incernierata allo spinotto del pistone nel piede o occhio di biella, mentre viene vincolata all'albero motore nella testa di biella tramite una bronzina suddivisa in due parti (semigusci). Può essere prodotta in acciaio legato fucinato, ghisa sferoidale o titanio (bielle da competizione) e il fusto di biella, la parte tra il piede e la testa, ha solitamente forma piena o a doppio T.

Albero a gomiti

Anche detto albero a manovelle è costituito dalle maschette o bracci di manovella che sorreggono i bottoni di manovella dove sono incernierate le bielle, mentre in posizione diametralmente opposta sono presenti i contrappesi per ridurre le vibrazioni. L'albero è sorretto dai supporti di banco mediante delle bronzine e termina con un volano per rendere regolare il suo moto.

Albero a camme

L'albero a camme si occupa di gestire l'apertura delle valvole a fungo nei 4T ed è formato da camme o eccentrici. Solitamente non comunica mai direttamente con le valvole ma viene interposta la punteria che può variare a seconda del tipo di distribuzione (valvole in testa, albero a camme in testa o altre).

Ciclo Otto

Tutti i motori ad accensione comandata sfruttano il ciclo Otto.

Ciclo Otto ideale

Diagramma P-V del ciclo Otto ideale

Descrizione ciclo

Il ciclo otto si compone di sei trasformazioni termodinamiche raggruppate in quattro fasi:

1. Aspirazione:
   • Trasformazione isobara: il pistone scende fino al punto morto inferiore (PMI) con la valvola di aspirazione aperta e la miscela aria-combustibile viene aspirata nel cilindro.
2. Compressione:
   • Trasformazione adiabatica: il pistone si innalza rapidamente verso il punto morto superiore (PMS) con tutte le valvole chiuse e il gas viene compresso.
3. Combustione ed espansione:
   • Trasformazione isocora: al PMS la miscela aria-combustibile viene incendiata e la pressione si innalza a volume costante (assorbimento di calore).
   • Trasformazione adiabatica: il pistone viene rapidamente spinto verso il PMI. Questa è l'unica trasformazione nella quale viene compiuto lavoro utile.
4. Scarico:
   • Trasformazione isocora: al PMI si aprono le valvole di scarico e la pressione cala istantaneamente (cessione di calore).
   • Trasformazione isobara: il pistone torna al PMS espellendo i gas combusti.

Rendimento ideale

Definendo il rapporto di compressione volumetrico come:

$r={\frac {V_{4,1}}{V_{2,3}}}={\frac {V_{c}+V}{V_{c}}}$

Dove $V_{c}$ è il volume della camera di combustione e $V$ è la cilindrata. Si dimostra la seguente relazione:

$\eta =1-{\frac {1}{r^{\gamma -1}}}$

Dove $\gamma ={\frac {c_{p}}{c_{v}}}$ è la costante di Poisson (da non confondere con il coefficiente di Poisson) rapporto dei calori specifici a pressione e a volume costanti.

Normalmente $r$ è compreso tra 7 e 11, mentre per $\gamma$ i valori oscillano tra 1,2 e 1,4. Il rendimento $\eta$ con valori di r pari a 10 e $\gamma$ a 1,38 equivale a circa 0,58.

Ciclo Otto indicato

Indicatore per macchine a vapore

Diagramma P-V del ciclo Otto indicato

Storicamente, quando si è posto il problema di misurare i cicli reali delle macchine a vapore vennero ideati i primi strumenti indicatori da Watt, attrezzi di misura di pressioni e volumi nel cilindro. Se si pone uno di essi sul motore, si ottiene un grafico, come quello al lato, detto ciclo Otto indicato che corrisponde al ciclo realmente eseguito. Si noti come le curve siano molto più arrotondate rispetto al ciclo teorico. Inoltre, è importante osservare come le fasi di aspirazione e scarico individuino un "sotto ciclo" operatore (senso antiorario) detto ciclo di pompaggio che diminuisce il lavoro utile. Infine, oltre alla non completa adiabaticità della compressione e dell'espansione, l'accensione non è in genere né completa né isocora e viene anticipata, così come lo scarico.

Carburanti

In un motore ad accensione comandata possono essere usati vari tipi di carburante:

Carburanti liquidi

Le benzine sono i combustibili più usati in tali motori. Sono leggere, di massa volumica $\rho \simeq 0{,}7{\text{ kg/dm}}^{3}$, e volatili con vapori facilmente infiammabili. Presentano, inoltre, un potere calorifico inferiore $\Delta _{c}H_{i}^{o}$ da 44 a 46 MJ/kg.

Alternativamente sono usati l'alcol etilico e l'alcol metilico ($\rho$ da 0,79 a 0,81 kg/dm³) incolori e molto volatili. Presentano un buon potere antidetonante ma un basso $\Delta _{c}H_{i}^{o}$ che si aggira in condizione di purezza attorno a 29 MJ/kg.

Il benzolo che può provenire dalla distillazione del catrame o del carbon coke è costituito prevalentemente da benzene che, come per gli alcoli, ha un potere antidetonante superiore alla benzina ma un $\Delta _{c}H_{i}^{o}$ inferiore.

Carburanti solidi

Non esistono tentativi riusciti di utilizzo di carburanti solidi polverizzati che non intasino o consumino anticipatamente le parti meccaniche in movimento come i cilindri e le valvole a causa delle ceneri prodotte. Tuttavia, attraverso un gassogeno, è possibile produrre gas succedanei alla benzina quali gas d'aria ($\Delta _{c}H_{i}^{o}$ da 3,4 a 3,8 MJ/kg), gas misto ($\Delta _{c}H_{i}^{o}=5{\text{MJ/kg}}$) e gas illuminante ($\Delta _{c}H_{i}^{o}=29{\text{MJ/kg}}$) a partire da legna, torbe, carboni di vario genere, sanse d'olive, vinacce e biomassa in generale.

Carburanti gassosi

I carburanti gassosi possono essere di sintesi, come l'acetilene che possiede un $\Delta _{c}H_{i}^{o}$ più alto della benzina (50 MJ/kg) ma ha un basso potere antidetonante con conseguente riduzione del rapporto di compressione; o naturali come il metano e il gas di petrolio, ricavati dalle esalazioni dei pozzi petroliferi, hanno buon potere calorifico (circa 46 MJ/kg) ma vengono stoccati a pressioni di circa 200 bar per cui richiedono riduttori di pressione e altre modifiche all'impianto d'alimentazione.

Bibliografia

• Luigi Caligaris, Stefano Fava e Carlo Tomasello (a cura di), Manuale di Maccanica, 2ª ed., Milano, Ulrico Hoepli Editore S.p.A., 2016, ISBN 978-88-203-6645-2.
• Dante Giacosa, Motori Endotermici, 15ª ed., Hoepli, 2000, ISBN 9788820326333.
• Paolo Mazzoldi, Massimo Nigro e Cesare Voci, Fisica - Volume I - Meccanica e Termodinamica, a cura di Stefano Atzeni e Francesco Michelotti, 3ª ed., Napoli, AdiSES Editore S.r.l., 2023, ISBN 978-88-3623-067-9.
• Cipriano Pidatella, Giampiero Ferrari Aggradi e Delia Pidatella, Corso di meccanica, macchine ed energia, 2ª ed., Bologna, Zanichelli, 2018, ISBN 978-88-08-40601-9.

Voci correlate

• Meccanismo biella-manovella
• Ciclo Atkinson
• Ciclo Miller
• Ciclo Diesel
• Motore a due tempi

Collegamenti esterni

• Motore a scoppio, su negusweb.it. URL consultato il 19 marzo 2009 (archiviato dall'url originale il 28 maggio 2018).