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HiW: How it Works? I motori a combustione interna

Creato il 13 dicembre 2014 da Queenseptienna @queenseptienna

Popolo nerdico, assidui frequentatori e non, bentrovati! Dopo un certo periodo di latitanza, torna con il secondo appuntamento la rubrica che cerca di spiegare, in termini semplici e comprensibili, come funziona ciò che ci circonda. Oggi l’appuntamento riguarda un oggetto fondamentale nelle nostre vite, qualcosa con cui tutti siamo entrati in contatto e che da oltre un secolo funge da supporto alla nostra intera civiltà: Il motore a combustione interna!

 

HiW: How it Works? I motori a combustione interna

Uno “spaccato” di motore Corvette

Prima di iniziare però vorrei fare un preambolo. Molti considerano la meccanica, più precisamente la motoristica in questo caso, un “mestiere” da grezzoni sporchi di olio con tute integrali. Mi sono scontrato più di una volta su questo punto con molte persone e non finirò mai di ripetere che c’è di più oltre allo stringere bulloni. Un motore, di qualsiasi tipo, è un delicato equilibrio di forze ed energia, una mescolanza di leggi matematiche, fisiche e chimiche. Ogni organo di cui è costituito deve lavorare in sincrono con tutti gli altri per far si che prestazioni ed efficienza siano massimizzate. Oltre a questo è da sfatare il mito secondo cui la meccanica richiede forza ed è per soli uomini, poiché intraprendendo questo mestiere la forza pian piano si crea a prescindere, ma non è comunque necessaria, tutt’altro molte volte è necessaria molta delicatezza e assoluta precisione.

Detto questo partiamo con le domande, quelle che aiutano a portare avanti in modo semplice il tema!

-Che cos’è un motore a combustione interna, di preciso?

Domanda lecita, quanto più ovvia, anche se non molti se lo chiedono. Un motore a CI (abbreviazione di Combustione Interna) è un dispositivo meccanico atto a trasformare l’energia chimica di un carburante (benzina, alcool, gasolio…) in lavoro meccanico, ossia la forza che possiamo utilizzare per fare i lavori più disparati. Il lavoro si genera bruciando il carburante, da qui motore a COMBUSTIONE, non come si sente spesso “motore a scoppio”. Erroneamente molti pensano che il carburante esploda nel motore, quando invece brucia semplicemente, poiché un esplosione violenta danneggerebbe gli organi di cui il esso è composto.

-Ok ora so cos’è, ma da cosa è composto di preciso?

Ottimo punto. Sapere il principio base è una cosa, ora bisogna vedere cosa c’è realmente sotto il cofano di un’automobile o sotto le natiche di un motociclista. Prima però bisogna fare una distinzione, in quanto attualmente coesistono due grandi famiglie di motori a CI: i motori a 2 tempi e i 4 tempi.  Sebbene concettualmente simili, essi differiscono nel modo in cui lavorano e nei componenti con cui sono realizzati, così come nei tipi di impiego. I 2 tempi ad esempio sono molto più semplici, hanno meno componenti in movimento e possono essere realizzati in dimensioni estremamente ridotte, tanto da stare nel palmo della mano.

Vediamo prima nel dettaglio una sezione rappresentativa di un motore a 4t, per capirne meglio i componenti e il funzionamento:

HiW: How it Works? I motori a combustione interna

Partiamo dal basso, andando verso l’alto:

Blocco motore:  non segnato in immagine, ma comunque presente. È il guscio che racchiude il 90% degli organi del motore, così come tutti quelli segnati nell’immagine superiore. Si compone di due pezzi chiamati Blocco e testa. Nel blocco si trovano albero, coppa dell’olio, bielle pistoni e cilindri. Nella testa trova posto la distribuzione, alberi a camme, candele, condotti di aspirazione/scarico e le camere di scoppio.

Albero motore: trattasi della parte che fisicamente trasmette il moto verso tutto ciò che gli colleghiamo. Si trova per il 90% all’interno del blocco motore, con una parte che esce per trasmettere il moto. Collegato a biella e pistone, forma il manovellismo di spinta rotativo. Quando è in rotazione agita l’olio nella coppa, spargendolo nel motore e consentendo la lubrificazione dei componenti (aiutato anche da una pompa).

Volano: Non presente in immagine, ma di vitale importanza. Come visto nei motori a vapore, il volano è una massa rotante collegata direttamente all’albero motore. Lo scopo di un volano è accumulare energia cinetica, in modo da controllare la rotazione del motore (il quale altrimenti andrebbe fuori giri, distruggendosi) e garantire una riserva di energia per compiere le varie fasi di rotazione del motore in cui non abbiamo la forza della combustione a spingere sul pistone.

Biella: il collegamento fra pistone e albero, dotato di due occhi (Superiore: testa di biella, inferiore: piede di biella) in cui sono situati cuscinetti e/o bronzine, trasmette il moto alternato del pistone all’albero, il quale a sua volta lo trasforma in una rotazione.

Pistone: la parte del motore che fisicamente riceve tutta l’energia della combustione, trasmettendola poi al manovellismo sottostante. Si tratta di un cilindro in lega di alluminio poco più piccolo della canna in cui scorre (nell’ordine del centesimo di millimetro circa) in modo da consentirgli di muoversi liberamente tenendo conto della dilatazione del metallo dovuta alle alte temperature. Vicino al cielo (la parte superiore) del pistone si trovano 3 anelli chiamati segmenti o fasce elastiche. Questi anelli aperti sono fatti per essere particolarmente elastici e della stessa dimensione del cilindro, in modo che una volta inseriti nelle gole del pistone si dilatino, facendo aderenza sulle pareti per isolare la camera dove il carburante viene compresso. Generalmente nei motori a 4t sono 3: due anelli di tenuta per sostenere la compressione e uno raschiaolio, per raccogliere residui di lubrificante dalle pareti del cilindro e farle cadere nella coppa.

Candela: Presente in ogni motore a benzina (due e quattro tempi), una per cilindro (a volte anche due). Si tratta di un semplice elettrodo in ceramica e metallo, avvitato nella sommità della camera di scoppio. Il suo scopo è portare la scintilla che all’apice della compressione incendia il carburante, provocandone l’espansione.

Valvola di aspirazione, valvola di scarico, alberi a camme: questi componenti vanno messi assieme poiché formano un unico organo chiamato “distribuzione”. Questo assieme serve a regolare la quantità di miscela aria/carburante in ingresso e l’uscita dei gas di scarico. Siccome le valvole lavorano nello spazio in cui si muove il pistone, devono essere perfettamente sincronizzate con esso, in modo da non essere colpite e distrutte. Questa sincronizzazione si ottiene collegando gli alberi a camme all’albero motore tramite cinghie dentate e pulegge oppure ingranaggi e catene, in modo che il movimento di entrambi sia sempre preciso. Solitamente troviamo dalle due alle quattro valvole per ogni cilindro (esclusivamente nei 4 tempi), anche se alcune soluzioni utilizzano tre valvole e altre (estremamente sportive) cinque o sei. Il numero di valvole per ogni cilindro determina la potenza dello stesso, il suo rendimento e a quale regime di rotazione renderà di più, poiché variano i consumi di carburante e la qualità dei flussi dello stesso. Per muoversi le valvole necessitano di due componenti: molle estremamente dure atte a tenerle sempre chiuse e sigillate e gli alberi a camme, i quali ruotando in sincronia spingono sulla testa delle valvole, aprendole in sequenza.

Troppe informazioni da digerire per il momento? Nessun problema, l’animazione sottostante aiuterà a collegare tutti i punti precedenti, aprendo la strada al prossimo punto: il funzionamento vero e proprio dei motori!

HiW: How it Works? I motori a combustione interna

Come possiamo vedere tutti i componenti lavorano in sequenza in un ciclo chiuso, chiamato ciclo Otto. Questo ciclo si compone di quattro fasi, come si può vedere dal numero nella gif: Aspirazione, compressione, espansione, scarico. Queste fasi si ripetono ogni due giri completi dell’albero motore, da qui il nome 4 tempi. Eccole spiegate più nel dettaglio:

1-Aspirazione: Il pistone inizia la discesa dal PMS (punto morto superiore, non sindrome premestruale. Si tratta del punto più alto raggiunto da esso, punto in cui per una frazione di secondo resta tecnicamente immobile) e la valvola di aspirazione si apre. Nella discesa il pistone crea una depressione, consentendo l’aspirazione del gas incombusto. L’aspirazione prosegue per tutta la discesa del pistone, sino al PMI (punto morto inferiore). A questo punto la valvola di aspirazione si chiude e inizia la seconda fase.

2-Compressione: Il pistone risale nella canna. La miscela gassosa non ha spazio per muoversi, venendo via via compressa in uno spazio sempre più piccolo. Arrivato al PMI il pistone ha compresso il gas in uno spazio minuscolo, quello della camera di scoppio. Il gas che prima occupava un volume pari a quello del cilindro+camera di scoppio ora occupa solo quello della camera stessa, risultando estremamente compresso. Questo riduzione di volume costringe le particelle del gas le quali di norma occupano uno spazio molto ampio a muoversi in uno molto più piccolo, scontrandosi e scaldandosi per l’attrito. Questo aumento di temperatura facilita l’accensione da parte della candela, ma non è tanto elevato da permettere al carburante di incendiarsi spontaneamente.

3-Espansione: Abbiamo il pistone al PMS, il gas compresso e pronto ad accendersi. A questo punto dalla candela parte una scintilla ad alto voltaggio, circa 25.000/30.000 volt, la quale incendia la miscela di aria e benzina. La rapida espansione del gas dovuta alla combustione unita all’inerzia della rotazione dell’albero motore (aiutata dal peso del volano) genera una pressione enorme sul cielo del pistone, spingendolo violentemente verso il basso. Questa fase è l’unica veramente attiva, ossia in cui avviene la trasformazione del combustibile e lo scambio di energia fra esso e il manovellismo.

4-Scarico: Arrivato al PMI il pistone riprende a risalire, si apre la valvola di scarico e il cilindro ora occupato dai gas combusti viene svuotato dalla pressione dovuta alla risalita del pistone, poi il ciclo ricomincia da capo.

Sono questi quindi i principi base che fanno funzionare ogni motore a quattro tempi, la teoria pura. Quello che varia sono tutti i sistemi di contorno, come l’alimentazione, il tipo di carburante e il metodo di ignizione dello stesso. La variante più comune del motore 4T a benzina è il motore diesel, il quale differisce per alcuni particolari. In un motore diesel tutto il sistema deve lavorare a pressione costante, poiché l’accensione del carburante non è comandata da una scintilla, ma dall’iniezione del gasolio finemente polverizzato.

In parole brevi, nel ciclo diesel durante l’aspirazione viene introdotta nel cilindro una quantità determinata di aria, la quale viene poi compressa ad un rapporto molto superiore rispetto ad un motore a benzina. Questa compressione porta la temperatura dell’aria a quasi 700° al PMS, momento in cui il gasolio finemente polverizzato da un iniettore viene letteralmente sparato nel cilindro a una pressione che può arrivare sino a 2000 bar. A contatto con l’aria calda il carburante si incendia, facendo poi proseguire il ciclo normalmente come in un motore a benzina.

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animazione del ciclo diesel

Per quanto riguarda i sistemi di iniezione del carburante ormai l’unificazione e le norme anti inquinamento hanno portato tutti i produttori a utilizzare il sistema ad iniezione elettronica, ovvero il carburante viene sparato direttamente nella camera di combustione (iniezione diretta) o nel collettore di aspirazione (iniezione indiretta), in modo da massimizzare le prestazioni e diminuire le emissioni. Precedentemente a questo sistema i motori utilizzavano un’alimentazione detta “atmosferica” o a carburatore. Questo tipo di alimentazione prevedeva che la depressione generata dalla discesa del pistone aspirasse il carburante dal carburatore, un dispositivo che oltre a garantire una riserva costante di benzina serviva a miscelare la stessa, opportunamente vaporizzata, alla giusta quantità di aria.

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un carburatore weber a doppio corpo (ossia 2 carburatori in uno) utilizzato soprattutto in motori ad alte prestazioni.

Parlare di carburatori serve anche a collegarci alla seconda (e ultima) parte di questo articolo: I motori a 2 tempi! Perché questo collegamento? Perché nonostante la continua evoluzione i motori a 2T vedono preferito l’utilizzo del carburatore per via di una maggiore semplicità di realizzazione, rispetto al sistema a iniezione che vuole una componente meccanica-elettronica più complessa.

Ma in cosa differiscono dai motori 4T di preciso? Il nome già dovrebbe dire tutto, se nel ciclo 4T le fasi si compivano in 4 mezzi giri (o 2 giri completi) nel 2T si compie tutto in 2 mezzi giri, o un giro completo. Realizzare questo con il sistema di distribuzione di un motore 4T sarebbe molto difficile, per questo nel 2T vengono eliminate valvole e alberi a camme, rendendo il pistone stesso l’organo di distribuzione. L’immagine sottostante chiarirà i dubbi:

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Come si può vedere sono totalmente assenti i sistemi di distribuzione. L’unico organo in movimento è il manovellismo di spinta rotativo, con il pistone che funge da distribuzione. Nei motori 2T le fasi sono differenti rispetto al 4T, eccole elencate:

Aspirazione: il pistone sale verso il PMS. nel carter pompa, dove si trova l’albero motore, si crea una depressione. La miscela aria/benzina viene aspirata attraverso il travaso di alimentazione, il quale viene aperto dal pistone durante la sua risalita. Durante la fase successiva la miscela verrà immessa nel cilindro attraverso le luci di travaso, fori sulla canna del cilindro che comunicano con il carter pompa.

Pre-compressione, lavaggio: Durante la discesa del pistone verso il PMI (Punto Morto Inferiore) avviene la compressione della miscela nel carter pompa, con un rapporto di compressione compreso tra 1,20:1 e 1,45:1. Nel momento in cui si aprono le luci di travaso, esaurita l’eventuale sovrappressione residua della fase di scarico, la miscela fresca aria-benzina entra nel cilindro anche grazie alla depressione generata dalla parte iniziale dell’impianto di scarico, che aiuta il travaso dei gas freschi, durante questa fase parte di questa miscela esce anche dalla luce di scarico, mista a gas combusti.

Compressione: la fase di compressione vera e propria. Il pistone risale verso il PMS, occlude le luci di travaso e scarico, comprimendo la miscela nella camera di scoppio. In alcuni casi particolari, ossia quando il motore è dotato di uno scarico di tipo “a espansione” si genera un onda di pressione sonora di ritorno dallo stesso atta a riportare parte dei gas incombusti di nuovo nel cilindro, ottimizzando il rendimento. Nella parte finale della compressione si ha l’effetto squish, ossia una compressione della miscela in un anello ristretto, il quale genera una turbolenza che spinge il gas al centro della camera, garantendo una combustione nettamente migliore ed evitando il fenomeno della detonazione.

Accensione ed espansione: poco prima della compressione massima avviene l’accensione da parte della candela. Questa accensione anticipata è utile per migliorare le prestazioni, poiché viste le elevate velocità di rotazione del motore un’accensione in sincrono con il PMS risulterebbe in un ritardo, facendo bruciare la miscela quando il pistone già inizia la discesa. Una volta accesa la miscela brucia e si espande come nel 4T, perdendo pressione però non appena si apre la luce di scarico.

Scarico: a differenza del 4T dove i gas combusti vengono pompati fuori dal cilindro per azione del pistone, qui è il semplice sbalzo di pressione a farli uscire, attirando di conseguenza quelli freschi dal carter pompa.  Lo scarico risuonante, se presente, rende più veloce questa fase, grazie alla depressione sviluppata dal primo tratto dello stesso. In alcuni casi (motori con aspirazione lamellare e condotto che collega direttamente il vano della valvola ai condotti di lavaggio) questa depressione può addirittura influire sul “rapporto di lavaggio”, ovvero aumentare la quantità di gas freschi che entrano nel cilindro.

HiW: How it Works? I motori a combustione interna

animazione che mostra il ciclo 2T, con scarico a risonanza. In verde la miscela aria/benzina incombusta che fa il suo percorso.

Come si può vedere dall’animazione, in un unico giro vengono compiute tutte le fasi descritte sopra, aspirazione, lavaggio del carter pompa, passaggio nelle luci di travaso, compressione, espansione e scarico. Allo scarico è d’obbligo dedicare un ultimo punto, poiché a differenza dei motori 4T, qui svolge un ruolo molto importante. Vista la conformazione interna del motore, una normale marmitta finirebbe per far sprecare parte dei gas incombusti che risalgono nel cilindro al momento dell’aspirazione. La soluzione adottata per evitare questo spreco è stata la creazione di marmitte ad espansione.

Precisamente calcolate sulla fase del motore, queste marmitte funzionano risuonando e facendo espandere i gas di scarico. Quando la luce di scarico si apre un siluro di gas combusti viene espulso ad alta velocità assieme a parte dei gas freschi. Sfruttando l’onda sonora che si crea nel primo cono lungo, poi riflessa dall’ultimo cono più piccolo, i gas incombusti (più lenti rispetto a quelli di scarico) vengono spinti nuovamente nel cilindro.

Considerazioni finali? Tecnicamente i due motori sono simili, sebbene lavorino in modo diverso i componenti sono gli stessi, così come i materiali. Cambiano forme e dimensioni, l’assenza di alcuni organi o la presenza di altri, ma la tecnica rimane uguale: Aspirare, comprimere, espandere, scaricare. Un ciclo continuo che si ripete per migliaia di volte al minuto, così veloce da sembrare incontrollabile, per questo tutto deve essere preciso e ordinato alla perfezione, poiché a 6000 giri al minuto basta una vite allentata o una valvola fuori fase per distruggere un motore.

Anche stavolta spero che l’articolo sia stato esaustivo e di gradimento, sebbene non possa sembrare in linea con il blog ritengo che la sete di conoscenza e il desiderio di apprendere tutto ciò che si può sugli oggetti che ci circondano dovrebbe essere una delle caratteristiche fondamentali non solo di ogni buon nerd, ma anche di ogni persona!

Al prossimo appuntamento con How it Works!


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