Motori automobili

A che cosa serve il motore su un'automobile?
La domanda sembra retorica, eppure se approfondiamo l'argomento scopriremo che la sua funzionalità non si ferma al solo scopo di muovere la macchina.
L'energia termica prodotta dalla combustione del carburante viene convertita solo in parte in energia meccanica, a sua volta, una quota di energia meccanica, è spesa per vincere gli attriti interni e per il funzionamento di diversi dispositivi. In particolare, per quanto riguarda il motore abbiamo:

• un rendimento termodinamico complessivo hT che dipende dal ciclo di lavoro, tiene conto del calore disperso direttamente dal motore e delle imperfezioni del ciclo termico reale
• un rendimento meccanico hM che tiene conto dell'energia dissipata dagli attriti interni e di quella necessaria al funzionamento del motore stesso (pompa carburante, olio, fluido refrigerante, aspirazione dell'aria di combustione, alternatore, distribuzione, ecc.).

A questo punto siamo arrivati alla potenza disponibile all'albero motore. Anche questa non finisce tutta alle ruote, ma in parte si perde nel cambio e negli organi di trasmissione, soprattutto nel differenziale, altra energia è impiegata poi per altre utenze.
La potenza necessaria all'avanzamento della vettura, su strada piana, vale:
P = F mV
Facendo il percorso a ritroso, a questa potenza, utile per l'avanzamento, dobbiamo aggiungere:

• La potenza persa nella trasmissione (cambio e differenziale)
• La potenza necessaria al funzionamento delle utenze (condizionatore, autoradio, impianto elettrico, accessori)
• La potenza assorbita dai dispositivi necessari al funzionamento del motore stesso (alternatore, distribuzione, pompe, accensione)

Tutte queste potenze devono essere disponibili all'albero motore. Ma dobbiamo ancora fare i conti con il rendimento del motore stesso. Complessivamente, considerando il calore sviluppato dalla combustione del carburante, quello effettivamente convertito in lavoro meccanico ed utile all'avanzamento si riduce a circa il 20 - 30 %.

3.1 il ciclo otto
È il ciclo più utilizzato per i motori automobilistici. Si tratta di un ciclo aperto, realizzato con un motore a combustione interna a quattro tempi, che utilizza benzina come carburante.

il ciclo ideale

Nella figura accanto è rappresentato sul diagramma P-V il ciclo ideale. Il calore necessario Q1 viene prodotto mediante la rapida combustione della benzina, quando lo stantuffo si trova al punto morto superiore (PMS). Alla fine della fase 1-2 la pressione ha il massimo valore del ciclo, compreso fra 3 e 6 MPa. A questo punto comincia la fase attiva con la rapida espansione dei gas che compiono lavoro sullo stantuffo, la pressione nel punto 3 (punto morto inferiore) scende a 0,4 - 0,5 MPa. Nella fase 3-4 si apre la valvola di scarico, i gas combusti escono spontaneamente, eliminando il calore di scarto Q2, e la pressione scende ad un valore di poco superiore a quello atmosferico. Una corsa a vuoto dello stantuffo, fase 4-5, permette di eliminare gran parte dei gas di scarico ancora presenti e di aspirare la miscela fresca per il ciclo successivo (corsa di ritorno 5-4). Nella fase 4-1 lo stantuffo torna al PMS e comprime i gas a 0,8 - 1,5 MPA.

Conoscendo i valori delle variabili di stato, pressione, volume e temperatura, sarebbe possibile calcolare Q1, Q2 ed L, risalendo al rendimento teorico mediante la formula:
h = L / Q 1
Il calore Q1 può essere calcolato conoscendo il consumo di carburante per ogni fase attiva ed il suo potere calorifico, il calore di scarto si ricava dalle condizioni allo scarico dei gas combusti, il lavoro corrisponde alla differenza Q1 - Q2 .
In particolare, per il ciclo otto, si arriverebbe alla seguente formula:

Dove r è il rapporto fra il volume massimo ed il volume minimo del cilindro (rapporto di compressione variabile tra 5,5 e 12), e g = cp/cv, per il fluido operante nel ciclo vale all'incirca 1,2.
Con questi valori si ottiene un rendimento compreso fra il 30 ed il 40 per cento.

il ciclo reale
La realizzazione pratica del ciclo otto, comporta alcune modifiche che ne diminuiscono il rendimento.
La combustione del carburante, per quanto rapida, non può essere istantanea, in questo intervallo di tempo lo stantuffo compie un certo tragitto, modificando il volume del gas.

Allo scarico la valvola rimane aperta per un certo tempo, la pressione non scende all'istante ed esiste un intervallo durante il quale sono aperte contemporaneamente la valvola di aspirazione e quella di scarico. Il fluido operante è una miscela di gas reali, con determinate caratteristiche fluidodinamiche, ne consegue che la corsa dello stantuffo per eliminare i gas combusti e quella di aspirazione non sono isobare, ma hanno un andamento tale da creare un'area supplementare, percorsa in senso inverso, che assorbe parte del lavoro prodotto con la fase attiva. La fase di lavoro e quella di compressione non sono trasformazioni reversibili e parte del calore prodotto è disperso attraverso le pareti del cilindro e della testata.

Altre perdite di energia le abbiamo poi per l'inerzia meccanica degli organi in movimento e per il funzionamento dei dispositivi ausiliari.
Inoltre il rendimento stesso dipende dalle condizioni di funzionamento come la velocità di rotazione, il carico applicato, i fenomeni transitori.
Interessante è il caso in cui il motore viene impiegato nelle discese per frenare il veicolo facendolo così girare con un rendimento negativo.
3.2 il ciclo diesel
Si tratta di un ciclo termodinamico nato in origine per motori di grande potenza, successivamente, le nuove opportunità offerte dal mercato hanno stimolato la ricerca, portando alla realizzazione di motori più piccoli, utili per la trazione automobilistica.

il ciclo ideale

La differenza fondamentale rispetto al ciclo otto consiste nella trasformazione attiva 1-2, che è isobara. Il motore diesel aspira solo aria, il carburante, gasolio, viene iniettato nella camera di combustione alla fine della fase di compressione dove la pressione vale da 3 a 5 MPa e la temperatura supera i 1000 K, il gasolio iniettato si incendia spontaneamente e, con la regolazione della pompa di iniezione, si fa espandere il gas con una pressione costante di 6 - 10 MPa. Terminata la fase di espansione isobarica, lo stantuffo prosegue la sua corsa con un'espansione adiabatica fino al PMI. L'apertura della valvola di scarico fa cadere bruscamente la pressione e permette l'evacuazione dei gas esausti. Nei motori a quattro tempi il ciclo continua con la corsa a vuoto dello stantuffo che completa lo scarico (fase 4-5) ed aspira nuova aria (fase 5-4).

Nella fase di compressione adiabatica 4-1, la pressione raggiunge valori molto più elevati rispetto al ciclo otto, questo è possibile perchè si comprime solo aria, e non c'è il pericolo di autoaccensione e detonazione del carburante.
A parità di rapporto di compressione r il motore diesel ha un rendimento inferiore al ciclo otto, però gli alti rapporti di compressione necessari al suo funzionamento (da 12 a 22) compensano di gran lunga questa mancanza, ottenendo rendimenti superiori e quindi consumi inferiori a parità di prestazioni. L'espressione del rendimento ideale è:

Dove t' è detto rapporto di combustione a pressione costante e corrisponde al rapporto fra il volume raggiuto alla fine dell'espansione isobara (punto 2) ed il volume della camera di combustione (PMS). Trattandosi di una trasformazione isobara, tenendo presente la legge di Gay-Lussac, si può giungere allo stesso valore di t' facendo il rapporto fra la temperatura raggiunta alla fine dell'espansione e la temperatura iniziale della stessa T2/T1.Supponendo t' = 2 si ottiene un rendimento ideale del motore fra il 35% ed il 60%.

il ciclo reale
Nella realizzazione pratica il motore diesel soffre grosso modo delle stesse limitazioni tecniche del motore a ciclo otto, in particolare, la fase attiva non è completamente isobara ma esiste una parte iniziale a volume costante, la combustione del gasolio richiede una regolazione del motore alquanto precisa ed una manutenzione puntuale, altrimenti si avrebbe una combustione imperfetta, la produzione di polveri carboniose inquinanti ed una diminuzione del rendimento.