MOTORE A QUATTRO TEMPI

di CARLO CARRUBA 2°A C.A.T. A.S.2013/2014
I.I.S. MUSSOMELI  E CAMPOFRANCO

I motori a quattro tempi sono motori termici comunemente usati nelle automobili; esistono vari tipi di motori a quattro tempi, in grado di bruciare molti tipi di combustibili fossili o naturali, come benzina, gasolio, metano, GPL.

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Storia

Intuendo la possibilità di ottenere lavoro da una miscela chimica, Eugenio Barsanti, insegnante di fisica, costruì e presentò ai suoi studenti un rudimentale congegno per cui, se intromessa una miscela e scoccata una scintilla, trasformasse l’esplosione in forza lavoro. Perfezionandolo, costruì insieme all’Ing. Felice Matteucci un motore monocilindrico con pistone verticale. Nel 1877 i tedeschi Otto e Langen idearono un motore 4 tempi a gas, con accensione della miscela compressa, presentato l’anno dopo a Parigi. La grande intuizione di Otto stava nel far scoccare la scintilla a miscela compressa anziché solamente aspirata, aumentando in questo modo il rendimento del motore.

Introduzione

Con il nome di ciclo motore  si indica il complesso delle trasformazioni subite dalla miscela di aria e benzina all’interno del cilindro e che si ripetono periodicamente o ciclicamente.
Ora vediamo più da vicino come vengono suddivise e come si susseguono le fasi in un motore a scoppio a 4 tempi. Esse portano dalla 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 riportare lo stesso nelle condizioni iniziali e di rinnovare nell’interno del cilindro il ciclo stesso sopra descritto

Funzionamento/fasi del ciclo

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Ciclo termico di un motore 4T
1=PMS
2=PMI
A: Aspirazione
B: Compressione
C: Espansione
D: Scarico

Il ciclo termodinamico del motore a quattro tempi, come noto, si sviluppa completamente in due rotazioni dell’albero motore, questo avviene perché il pistone svolge una doppia funzione.

Aspirazione

Nei motori ad accensione comandata le valvole di aspirazione si aprono per consentire l’ingresso della carica, che nei motori ad iniezione diretta è solo comburente (tipicamente aria) mentre per i motori ad iniezione indiretta o a carburatori consiste nella miscela preformata di combustibile-comburente. Il pistone scende dal punto morto superiore (PMS) al punto morto inferiore (PMI), durante questo tragitto la biella compie 1 corsa e la manovella ruota di 180°. Scendendo creano una forte depressione nella camera di combustione; grazie a questa depressione e all’inserimento di carburante da parte di un iniettore, la camera si riempie della quantità di carburante calcolata dalla centralina elettronica sulla base della pressione sul pedale dell’acceleratore.

Compressione

Le valvole di aspirazione si chiudono e il pistone risale dal PMI al PMS, comprimendo l’aria o la miscela all’interno della camera di combustione spendendo lavoro.

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2. Compressione

Accensione ed espansione
Sfruttamento dell’energia sviluppata dalla combustione:

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3.1 Combustione

3.2 Espansione

Motori ad accensione comandata

Nei motori ad accensione comandata la combustione avviene grazie all’innesco generato dalla scintilla che scocca tra gli elettrodi di una o più candele. La scintilla scocca nell’istante desiderato dopo la compressione e poco prima che sia raggiunto il PMS. È importante sottolineare come in questa fase all’interno della camera di combustione non avvenga una deflagrazione, bensì una combustione. La combustione prosegue rapidissima e deve completarsi senza dare luogo ad un’esplosione perché in tal caso le sollecitazioni, superando abbondantemente i parametri progettuali, porterebbero rapidamente alla rottura meccanica. Questa fase è la sola “attiva” di tutto il ciclo poiché è l’unica fase dove si produce lavoro utile (il pistone viene spinto verso il PMI dall’energia prodotta dalla combustione). Le altre tre fasi sono dette “passive”. L’energia necessaria in queste fasi viene fornita dal volano motore che immagazzina sotto forma di energia cinetica una parte dell’energia prodotta nella fase attiva per poi restituirla nelle altre tre fasi.

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.

Scarico

La valvola di scarico si apre prima che il pistone arrivi al PMI questa fase si chiama “Scarico libero“, sceso al PMI risale spinto dal movimento degli altri pistoni, espellendo i gas provocati dalla combustione attraverso l’apertura delle valvole di scarico, che fanno evacuare il gas combusto dal cilindro, preparandolo ad un nuovo ciclo, mentre i residui della combustione vengono immessi nel collettore di scarico, collegato all’impianto di scarico, costituito dalla marmitta catalitica, dal silenziatore filtrando i gas e scaricandoli nell’aria. Le dimensioni di quest’ultimi componenti sono proporzionali alla cilindrata del motore.

Accorgimenti

Nei motori a quattro tempi ci sono degli accorgimenti per migliorare la funzionalità delle varie fasi e del rendimento globale del motore:

· Incrocio delle valvole: si ha quando si passa dalla fase di scarico a quella d’aspirazione, questa tecnica permette di sfruttare l’inerzia dei gas espulsi per facilitare l’aspirazione dei gas freschi nel cilindro.

· Ritardo dell’aspirazione: è una tecnica che consiste nel far chiudere in ritardo le valvole d’aspirazione; ciò è necessario per migliorare il riempimento, dato che i gas freschi hanno un’inerzia che impedisce un riempimento ideale.

· Anticipo di scarico: è una tecnica che consiste nel far aprire in anticipo le valvole di scarico, questo è necessario per evitare che altrimenti il pistone sprechi troppa energia per espellere tali gas.

· Sistema di distribuzione a fasatura variabile, sistema che permette d’adattare in modo più o meno marcato l’azionamento delle valvole in modo da poter ampliare l’arco di funzionamento ottimale del motore.

· Valvola di gestione all’aspirazione Questa valvola è governata da un motorino elettrico, controllato a sua volta da una centralina, questa soluzione viene adottata perché la distribuzione delle fasi ha dei limiti d’operabilità, Con questa valvola, si riesce a diminuire la resistenza in aspirazione e quindi ottimizzare il riempimento del cilindro nelle varie situazioni, compensando il ritardo in chiusura ed evitando fenomeni di reflusso dell’aria, il tutto a vantaggio dell’efficienza.

· Valvola di gestione allo scarico Questa valvola è governata da un motorino elettrico, controllato a sua volta da una centralina; questa soluzione viene adottata perché le distribuzioni delle fasi hanno dei limiti d’operabilità. Con questa valvola si riesce a ridurre la resistenza allo scarico, riducendo l’effetto dell’anticipo di scarico, riducendo le perdite di pressione alla sua apertura e le perdite di aria dallo scarico, migliorando l’efficienza.

FONTI
· Wikipedia
· Kaemart

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