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MOTORE A SCOPPIO
All’inizio (CONCETTI INTRODUTTIVI) descriverò le generalità di un motore a scoppio: cosa fa e a cosa serve.
Poi affronterò la sua descrizione meccanica (SCHEMA ESSENZIALE DI UN MOTORE) perché se non si sa come è fatto non è possibile capire come funziona.
Per rendere tutto più chiaro, mostro dei link ad alcune buone animazioni che illustrano il funzionamento di un motore a 4 tempi (ANIMAZIONI SU INTERNET DI UN MOTORE A 4 TEMPI).
A questo punto analizziamo le trasformazioni termiche del gas dentro il cilindro e disegneremo il cilo del gas (SCHEMA TERMICO-CINEMATICO DI UN MOTORE A 4 TEMPI).
Adesso siamo pronti a studiare ciò che è realmente importante per il motore: la produzione di lavoro ottenuta dal calore ! (LAVORO UTILE E CALORE).
Infine, come conclusione, affronteremo una breve discussione sul consumo di un motore e cosa viene fatto per limitarlo (EFFICIENZA).
Un motore a scoppio (o meglio, motore ad accensione comandata) è una macchina ciclica nella quale il gas percorre un ciclo che lo riporta allo stato di origine fornendo nel contempo lavoro utile. Il Lavoro è ottenuto convertendo l’energia potenziale chimica di un carburante in energia meccanica (Lavoro) attraverso il calore prodotto dall’accensione del carburante. Il Lavoro viene eseguito utilizzando la forza di espansione data dalla combustione della benzina; il gas surriscaldato si dilata e spinge un pistone o stantuffo, che perciò si sposta trasformando l'energia cinetica del pistone in energia rotatoria di un disco (albero motore) che poi fa girare le ruote.
Poiché l’energia utilizzata è quella della combustione del carburante immesso dentro la camera di scoppio, un tale tipo di motore è detto anche a combustione interna.
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Vi è una pluralità di motori a combustione interna; tutti però presentano sempre 4 fasi:
aspirazione , dove la miscela aria+cafrburante è immessa nel cilindro attraverso la valvola di aspirazione.
compressione , dove la miscela viene compressa. In questa fase il pistone perde Lavoro a causa del fatto che deve comprimere il gas.
scoppio ed espansione , dove la miscela è fatta scoppiare riscaldando il gas; di conseguenza questo si dilata e spinge il pistone. E’ in questa fase che il motore guadagna energia a spese dell’energia potenziale chimica della benzina (o equivalentemente, a spese del calore prodotto dallo scoppio della benzina). Per questo tale fase è anche detta fase utile.
scarico , dove la miscela ormai già bruciata (esausta) viene espulsa attraverso la valvola di scarico.
I motori a scoppio possono essere suddivisi in base al modo in cui è completato il ciclo, ovvero in base alla la successione periodica di fasi che il gas compie nel motore. Si suddividono quindi in:
motori a quattro tempi : le 4 fasi sopraddette avvengono in tempi separati fra loro.
motori a due tempi : le 4 fasi avvengono 2 alla volta (aspirazione-compressione , scoppio ed espansione-scarico)
Adesso vediamo in che modo si trasforma il gas durante le 4 fasi a causa del movimento del pistone.
Seguiamo i movimenti del pistone nel cilindro e disegniamo il diagramma P-V del gas. Il grafico è mostrato in Figura 3.
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Figura 3: ciclo “di Otto” di un pistone. In A, C e D il pistone è alla massima compressione: in B ed in E è alla massima espansione. V0 è il volume minimo raggiunto dal gas (massima compressione: camera di scoppio), Vf è il massimo volume del gas. L’intervallo Vf-V0 è la cilindrata e rappresenta il volume percorso dal pistone durante il suo movimento. |
Aspirazione: il pistone ha raggiunto la massima compressione (A) e si appresta a tornare in avanti. Il volume di A, V0, ha il nome di camera di scoppio (il perché lo vedremo tra breve). La valvola di aspirazione si apre ed il gas inizia ad entrare alla pressione di 1 atmosfera, con una temperatura uguale a quella esterna. Il pistone avanza e risucchia il gas, che si espande isobaricamente fino a giungere in B. Il volume di B, Vf, è il massimo raggiunto dal pistone. La differenza di volume fra inizio corsa e fine corsa (cioè Vf-V0) è chiamata cilindrata.
Compressione: la valvola di aspirazione si chiude ed il pistone inizia a tornare indietro, comprimendo il gas da B a C. La compressione è veloce e perciò è adiabatica.
Scoppio e Espansione: si accende la candela! O meglio, essa scocca la scintilla che incendia la benzina, che scoppia. Il calore prodotto innalza la temperatura del gas e di conseguenza la sua pressione. Lo scoppio è rapidissimo ed il gas non fa in tempo ad espandersi significativamente: dunque la trasformazione è isocora (da C a D). Il gas ora è bello caldo e si espande, spingendo il pistone (da D a E). L’espansione avviene molto rapidamente e perciò è schematizzabile come adiabatica.
Scarico: il gas in E ha raggiunto la massima espansione ed è esausto (cioè è stato tutto bruciato). Esso è perciò inutile e deve essere espulso. Dunque, si apre la valvola di scarico e quasi istantaneamente il gas esce: la pressione perciò si abbassa fino alla pressione esterna in modo isocoro (da E a B). A questo punto il pistone torna indietro e finisce di espellere il gas residuo alla pressione di 1 atmosfera (da B a A).
Adesso, altro gas è pronto per essere immesso di nuovo! Si chiude la valvola di scarico, si apre quella di aspirazione… ed l ciclo ri-inizia!
Il ciclo B→C→D→E è composto perciò da due adiabatiche e da due isocore. Esso ha il nome di “ciclo di Otto” dal nome dell'ingegnere tedesco Nikolaus August Otto, il quale circa dieci anni dopo l'invenzione del motore (avvenuta nel 1850 da parte di due italiani, Eugenio Barsanti e Felice Matteucci: dunque il motore a scoppio è stata un’invenzione italiana!!) riprodusse fedelmente in varie copie il modello dei due predecessori (adottando anche gli stessi accorgimenti estetici, ritenendo probabilmente che potessero essere utili al funzionamento della macchina).
Adesso che sappiamo come funziona un motore… interessiamoci di sapere cosa produce! Abbiamo già detto che esso genera Lavoro che poi mette in rotazione l’albero motore. Analizziamo perciò il cuore di un motore: il Lavoro che esso produce.
Un motore produce Lavoro nella sua fase di espansione dopo lo scoppio (D→E); però parte di questo Lavoro viene consumato durante il ciclo del pistone. Infatti, il pistone “sciupa” dell’energia per comprimere il gas nella fase B→C: in altre parole, il motore produce Lavoro durante l’espansione D→E e perde Lavoro nella compressione B→C (ci sarebbero anche i Lavori prodotti dall’aspirazione A→B e persi nello scarico B→A ma essi molto piccoli e comunque sono fra loro uguali ed opposti e possono essere trascurati).
Il Lavoro che veramente ci interessa è quello che spinge effettivamente il pistone (Lutile), cioè il Lavoro guadagnato meno quello perso (Lutile = LD→E – LB→C , esprimendo i Lavori in valore assoluto e mettendo il “-“ per il Lavoro perso). Graficamente, il Lavoro utile è l’area del ciclo BCDE.
Poiché fornisco energia al motore sotto forma di calore e ricevo energia sotto forma di Lavoro, una delle prime questioni che si sono poste i Fisici è stata: qual è la relazione fra calore fornito e Lavoro? In altre parole, come posso calcolare il Lavoro che ottengo sapendo il calore che fornisco e viceversa?
Come vedremo, questa relazione è alla base di tutte le seguenti proprietà di un motore, perciò studiatela bene.
Iniziamo con il calore. Come abbiamo detto in altri appunti , quando fornisco calore ad un gas (Qass) esso va in parte a scaldare il gas (Qs) e l’altra parte va ad espandere il gas, producendo Lavoro utile (L). Perciò posso scrivere:
L = Qass – Qced (3)
Dunque: il Lavoro utile di un motore è esattamente uguale al calore assorbito (Qass) meno quello disperso (Qced)
La fase in cui il motore acquista calore (Qass) è lo scoppio C→D. Da notare che tanto più alto è D rispetto a C tanto maggiore è la differenza di temperatura fra C e D e dunque tanto maggiore è il calore assorbito.
La fase in cui il motore cede calore (Qced) è l’inizio dello scarico E→B. Nota che tanto più E è vicino a B tanto minore è la differenza di temperatura fra E e B e tanto minore è il calore ceduto.
Adesso è necessario porsi alcune domande di ordine squisitamente pratico. Abbiamo appena visto che parte dell’energia ottenuta dal motore va persa. Poiché la benzina o il gasolio costano e non ne abbiamo scorte infinite, le prime questioni da porsi su una qualsiasi macchina termica sono sicuramente: di tutta l’energia spesa per alimentare il motore (cioè, di tutta l’energia prodotta dalla benzina), quanta parte viene effettivamente utilizzata e quanta viene persa? Da cosa dipendono le perdite? E’ possibile renderle più piccole possibili per poter migliorare i consumi? In altre parole, come si fa a progettare un motore che consumi il meno possibile?
Per rispondere a queste domande è necessario introdurre un concetto molto importante, non solo per i motori a scoppio ma per le macchine in generale: quello di efficienza o rendimento (h, che si pronuncia eta).
In formule: 
In parole più generali: l’efficienza è il rapporto fra il Lavoro utile del pistone ed il calore ottenuto durante lo scoppio. Il rendimento è espresso come valore compreso tra zero e uno o sotto forma di percentuale.
Esempio di efficienza
Prima di andare ad impelagarci in conti e calcoli vari, cerchiamo di capire cosa è in pratica l’efficienza.
Supponiamo di avere un motore che per ogni 100J di calore fornito riesce a produrre 75J di Lavoro utile. il motore è in grado di trasformare una percentuale di calore in Lavoro utile uguale a 75J/100J = 0,75 = 75%. Il restante 25% è perduto sotto forma di calore che viene disperso nell’ambiente circostante.
Consideriamo un secondo motore che, usando 2.000J di calore, riesce a produrre 1.200J di Lavoro utile. La percentuale di Lavoro utile rispetto alla quantità di calore che fornisco è 1.200J/2.000J = 0,6 = 60%. Anche in questo caso l’energia che non è Lavoro, cioè 800J, è stata trasformata in calore espulso nell’ambiente circostante.
Cosa posso dire confrontando i due motori? Sicuramente, per quanto riguarda i consumi, il primo è migliore del secondo perché riesce ad utilizzare il 75% dell’energia che gli fornisco mentre il secondo solo il 60%. Vediamo meglio questo concetto: facciamo in modo che i due motori producano lo stesso lavoro – ad esempio 5.000 J – e calcoliamo chi dei due consuma di meno.
Invertiamo l’equazione (4): 
Lutile=5.000J per entrambi i motori. Il primo motore, con h=0,75, deve assorbire 6.667J circa; il secondo motore, con h=60%, per fare lo stesso identico Lavoro deve assorbire ben 8333J, 1666J più del primo.
In conclusione: a parità di lavoro, un motore con un valore di efficienza più alto consuma meno energia.
Efficienza e calore
Adesso che abbiamo un’idea di cosa sia il rendimento di una macchina, vediamo come poterlo esprimere al meglio. Il modo migliore per avere un’idea pratica di cosa sia l’efficienza è quella di descriverla sotto forma di calore. Poiché Lutile = Qass – Qced, l’eq. (4) diventa
Dall’equazione (5) risulta che l’efficienza aumenta se diminuisce il rapporto Qced/Qass, cioè h aumenta tanto più è piccolo il calore disperso rispetto a quello assorbito. Il che è ovvio: il calore disperso è energia perduta! più energia butto via attraverso il calore che esce dal motore, meno Lavoro utile esegue la mia macchina. Nel caso in cui non disperdessi alcun calore (Qced=0) allora avrei h=1: tutta l’energia spesa sarebbe energia utile e non avrei alcuna perdita! (Tra parentesi, h=1 è il valore massimo dell’efficienza perché se avessi h>1 vuol dire che ottengo più Lavoro di quanta energia fornisco alla macchina: cioè la macchina creerebbe Lavoro dal nulla! Ma per il Principio di conservazione dell’energia questo è impossibile).
“Uffaaa!!! Un’altra formulaccia! Che b..le!!” E’ vero: ma la formula (5) ci permette di capire subito da cosa dipende il rendimento di un motore senza nemmeno conoscere come è fatto! Infatti l’eq. (5) dimostra una cosa importantissima: l’efficienza dipende solo dal rapporto Qced/Qass, indipendentemente da come tale calore venga ceduto o assorbito. Dunque, per alzare il rendimento ed abbassare i consumi è necessario impedire tutto ciò che disperde il calore, indipendentemente dal perché e dal come tale calore viene ceduto.
I meccanismi di produzione del calore sono due: attriti e raffreddamento del motore. Sono questi che devono essere ridotti il più possibile.
L’attrito avviene di continuo a causa della frizione (strisciamento) delle parti meccaniche. Per limitare l’attrito viene aggiunto olio come lubrificante (è questo il motivo per cui si aggiunge olio al motore). Da un punto di vista teorico non c’è un limite a quanto attrito posso eliminare: si può supporre che un motore ben tenuto, ben oliato e con parti meccaniche ben fatte si muova con pochissimo attrito, praticamente nullo.
Altro discorso per la dispersione di calore. Si potrebbe pensare di rendere Qced @ 0 coibentando (cioè rivestendo di materiale isolante) tutto il motore. Ma così facendo esso non potrebbe nemmeno funzionare! Infatti, guardate di nuovo la figura 3 mostrata più sopra: il Lavoro utile è dato dall’area compresa fra l’adiabatica D→E e l’adiabatica B→C. Affinché l’area sia più grande possibile, l’adiabatica B→C deve essere più bassa di D→E. E come si fa ad abbassare B→C? Semplice: quando il pistone ha raggiunto il punto E si espelle il gas caldo e il punto E si abbassa fino a C. Se non ci fosse espulsione di gas caldo i punti C ed E sarebbero esattamente congruenti e la compressione B→C sarebbe uguale ed opposta all’espansione D→E, senza alcuna produzione di lavoro utile.
Dunque: non è possibile avere Lavoro utile senza espellere gas caldo, cioè senza dispersione di calore. Ciò significa che il rendimento di un motore è sempre necessariamente minore di 1.
Come si può diminuire Qced rispetto a Qass se il motore non può essere coibentato? C’è una sola strada: bisogna aumentare l’area del grafico P-V. E per fare questo o si aumenta la cilindrata dell’auto, cioè il volume di espansione, o si diminuisce il volume della camera di scoppio. Nel primo caso l’area si espande verso destra, nel secondo caso verso sinistra (guarda il grafico di figura 3 riportato qua sotto in figura 4).
Però non è possibile aumentare di tanto la cilindrata o ridurre troppo la camera di scoppio. Infatti:
se la cilindrata è troppo grande allora nel cilindro entra una grande quantità d’aria e benzina
se la camera di scoppio è troppo piccola, la miscela aria+benzina viene compressa molto.
In entrambi i casi, durante la fase di compressione B→C la temperatura della miscela aria+benzina salirebbe a valori così alti che la benzina si incendierebbe spontaneamente senza aspettare lo scocco della scintilla. Quest’effetto, chiamato detonazione, ha come conseguenza quello di generare un’esplosione all’interno della camera di scoppio che può danneggiare il motore.
La detonazione nel motore avviene quando la miscela aria-benzina non esplode a causa della scintilla della candela ma perche la temperatura della camera è troppo alta. L'esplosione per detonazione produce un improvviso aumento di pressione nella camera di scoppio.
Su motori di tipo "normali", non da competizione, se avviene la detonazione i danni sono minimi; essa può essere avvertita udendo un caratteristico rumore chiamato “battere in testa”. La detonazione su motori da competizione può causare la rottura del motore, cioè la distruzione del pistone (che di solito viene letteralmente bucato dell'esplosione) e gli altri pezzi che vanno liberi per il motore (che ancora gira) distruggono il resto.
Per ovviare a questo fatto è necessario introdurre dei composti antidetonanti nella benzina in modo che essa sia in grado di sopportare alte temperature senza detonare. La vecchia benzina super usava il piombo; le benzine attuali, chiamate verdi, non hanno il piombo ma altri composti meno nocivi per l’ambiente.
Fonte: http://digilander.libero.it/amaccioni1/Documenti/U_IL%20MOTORE%20A%20SCOPPIO%20(1).doc
Sito web da visitare: http://digilander.libero.it/amaccioni1/
Autore del testo: non indicato nel documento di origine
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