Capitolo 1
Motori Quattro Tempi ad Accensione
Comandata
1.1 Introduzione
I motori ad accensione comandata o motori S.I. (Spark Ignition Engines), fanno parte della categoria dei motori endotermici o a combustione interna, ossia di quelle macchine in grado di convertire l’energia termica, proveniente dalla combustione di combustibili liquidi o gassosi, in energia meccanica e quindi in lavoro utile.
Il lavoro è compiuto da organi in movimento, questo movimento viene generato da un fluido che viene spesso chiamato fluido operante. Il fluido compie lavoro grazie a variazioni di pressioni e di volume derivanti dal calore introdotto per effetto della combustione.
Nei motori endotermici la combustione avviene all’interno del fluido operante, costituito da una miscela di combustibile e carburente, quest’ultimo fornisce l’ossigeno necessario alla combustione e che quindi per veicoli terrestri è costituito dall’aria dell’atmosfera.
Per illustrare il funzionamento di un motore ad accensione comandata si farà riferimento a [1].
1.2 Schema e nomenclatura di un motore S.I.
In Fig.1.1 è riportata la sezione trasversale di un tipico motore quattro tempi ad accensione comandata, ovviamente non tutti i motori hanno questo schema ma il principio di funzionamento resta lo stesso.
Il cilindro fa parte del blocco di cilindri, che in passato veniva chiamato monoblocco, quest’ultimo a sua volta fa parte del basamento che si può considerare la struttura fondamentale del motore.
All’interno del cilindro lo stantuffo o pistone si muove di moto rettilineo alternato, la parte superiore è chiusa dalla testata o semplicemente testa.
Il volume racchiuso nel cilindro fra la testa e lo stantuffo costituisce la camera di combustione, all’interno della quale viene bruciato la miscela aria-combustibile dopo averne innescato la combustione attraverso una scintilla fra gli elettrodi della candela. Il fluido operante si forma nel carburatore o nel condotto di aspirazione ed entra nel cilindro attraverso la valvola di aspirazione.
Lo stantuffo trasmette la spinta dei gas in espansione alla biella e quindi alla manovella dell’albero a gomiti o albero motore. La biella e la manovella hanno il compito di trasformare il movimento lineare alternato dello stantuffo in movimento rotatorio dell’albero motore.
Attraverso la valvola di scarico e il condotto di scarico i prodotti della combustione vengono espulsi all’esterno.
Sia la valvola di aspirazione che quella di scarico sono azionati da organi che fanno parte della distribuzione. La distribuzione ha un suo albero, detto albero a camme, che viene condotto dall’albero motore attraverso una catena o una cinghia dentata.
Di seguito sono riportate alcune grandezze fondamentali, alle quali si farà riferimento nei capitoli successivi, associate alla terminologia comunemente usata per indicarle:
• Punto morto superiore (PMS), indica la posizione del pistone più vicina alla testa del cilindro;
• Punto morto inferiore (PMI), indica la posizione del pistone più lontana dalla testa del cilindro; • Volume totale del cilindro (V1), rappresenta il
volume compreso fra la testa e lo stantuffo quando è al PMI (Fig.1.2), misurato in 3
cm o litri;
• Volume della camera di combustione (V2), volume compreso fra la testa e lo stantuffo
Figura 1.2 Volumi caratteristici del cilindro
quando è al PMS;
• Volume spostato dallo stantuffo o cilindrata (V1-V2), volume generato dallo stantuffo col suo spostamento dal PMS al PMI;
• Rapporto volumetrico di compressione, indica il rapporto fra il volume totale del cilindro V1 e il volume della camera di combustione V2 (
2 1 V V = ρ )
1.3 Ciclo Operativo a Quattro Tempi
Per ciclo operativo si intende la successione di operazioni o fasi che compie il motore e che si ripetono periodicamente.
Si definiscono a quattro tempi i motori nei quali il ciclo si conclude con quattro corse dello stantuffo e quindi ogni due giri dell’albero motore.
Le fasi del ciclo a quattro tempi sono:
1. immissione della carica nel cilindro; 2. compressione della carica;
3. combustione ed espansione;
4. espulsione o scarico dei prodotti della combustione.
Ogni fase corrisponde approssimativamente a una corsa dello stantuffo (Fig.1.3).
Figura 1.3 Fasi del ciclo a quattro tempi per un motore ad accensione comandata
1.3.1 Immissione
In questa fase lo stantuffo spostandosi verso il PMI crea un’aspirazione del fluido fresco nel cilindro. Al momento opportuno si apre la valvola di aspirazione nella camera di combustione permettendo l’ingresso del fluido operante. La fase si conclude con la chiusura della valvola di aspirazione.
1.3.2 Compressione
Dopo la chiusura della valvola di aspirazione, all’interno della camera di combustione avviene la compressione della carica durante la corsa di ritorno dello stantuffo. Il valore massimo di compressione viene raggiunto al PMS.
1.3.3 Combustione ed Espansione
Prima che termini la corsa di compressione viene fatta scoccare una scintilla fra gli elettrodi della candela che permette l’accensione della miscela. Di conseguenza si avrà un rapido aumento della temperatura e della pressione per effetto della combustione. La pressione aumenta all’incirca di un fattore 2 ÷ 4 rispetto al valore iniziale, questo fa sì che lo stantuffo subisca una spinta verso il PMI producendo lavoro utile. Prima che la corsa discendente dello stantuffo si sia conclusa, comincia ad aprirsi la valvola di scarico per permettere la fuoriuscita dei gas di scarico.
1.3.4 Scarico
Durante l’ultima corsa compiuta dallo stantuffo, quella di ritorno verso il PMS, si completa l’espulsione dei gas di scarico attraverso la valvola di scarico. Al termine di questa corsa si chiude la valvola di scarico e comincia a riaprirsi quella di aspirazione per permettere l’immissione di fluido fresco e quindi iniziare un nuovo ciclo.
In Fig.1.4 è riportato il grafico del diagramma delle pressioni in funzioni degli spostamenti angolari dell’albero motore e delle rispettive fasi del ciclo.
Figura 1.4 Diagramma delle pressioni riferito agli spostamenti angolari dell’albero motore
1.4 Ciclo Otto Teorico e Indicato
Come accennato nei precedenti paragrafi, nel motore il fluido operante viene sottoposto ad una serie di trasformazioni chimiche e fisiche che costituiscono il ciclo del motore (compressione, espansione, combustione, scambio di calore con le pareti, attriti nell’interno del fluido e con le pareti, ecc).
Esaminare tutti questi fenomeni da un punto di vista matematico è molto complicato per cui di solito si semplifica l’analisi ricorrendo ad approssimazioni teoriche. Si considera quindi un ciclo teorico o ideale, che permette uno studio matematico semplice basato sulle leggi dei gas perfetti e nel quale si suppone che le fasi di introduzione e sottrazione di calore abbiano una durata ben determinata e che nelle altre fasi del ciclo non si abbiano perdite di calore.
Sotto queste ipotesi i valori massimi di temperatura e di pressione, e quindi il lavoro ed il rendimento termico, per un ciclo ideale rappresentano il limite massimo che un motore può teoricamente raggiungere.
1.4.1 Ciclo Otto Teorico
Per un motore ad accensione comandata il ciclo ideale è rappresentato dal ciclo Otto teorico, riportato graficamente in Fig.1.5 in coordinate p-v e in coordinate T-S.
Figura 1.5 Ciclo Otto Teorico in coordinate p-v e T-S
Di seguito elenchiamo le trasformazioni termodinamiche che si verificano durante il ciclo con riferimento alla Fig.1.5:
1-2 Adiabatica (senza scambio di calore con l’esterno): si ha una
compressione del fluido per effetto del lavoro compiuto dallo stantuffo, con conseguente aumento della pressione e della temperatura e diminuzione del volume;
2-3 Isocora (a volume costante): somministrazione di calore;
3-4 Adiabatica : il lavoro prodotto dalla combustione della miscela fa sì che
si abbia un espansione con conseguente riduzione delle pressione e della temperatura mentre il volume aumenta;
4-1 Isocora : sottrazione istantanea di calore, che porta ad una diminuzione della temperatura e della pressione.
Nel diagramma p-v di Fig.1.5 è presente una linea orizzontale, questa indica il fatto che in realtà la sottrazione del calore avviene durante la corsa di scarico 1-0 e che la miscela viene immessa nel motore durante la corsa di aspirazione 0-1.
Questi due processi non causano né guadagno né perdite di lavoro, dato che i loro effetti si annullano a vicenda. Per questo motivo nei diagrammi p-v ideali non sono presenti, considerando così il ciclo Otto come un ciclo chiuso nel quale la miscela torna al suo stato iniziale al termine della fase di espulsione di calore (4-1).
1.4.2 Ciclo Otto Reale o Ciclo Indicato
I cicli reali a differenza di quelli teorici sono rilevati sperimentalmente attraverso apparecchi chiamati indicatori, motivo per il quale questi cicli sono anche detti Indicati. Gli indicatori sono apparecchi capaci di registrare il diagramma delle pressioni in funzione dei volumi nel cilindro.
Il diagramma Indicato rispecchia le condizioni reali di funzionamento del motore, infatti tiene conto anche delle perdite di calore, della durata della combustione, delle perdite dovute all’attrito del fluido, del tempo di apertura delle valvole, del tempo di accensione, delle perdite nello scarico, ecc.
1.5 Differenze fra ciclo Otto Teorico e ciclo Indicato
In Fig.1.6 sono messi a confronto i diagrammi p-v del ciclo Otto teorico e del ciclo Indicato. E’ evidente che ci sono delle variazioni nella forma del diagramma, ciò è dovuto essenzialmente ai seguenti fattori non considerati nel ciclo teorico:
• In un motore cilindro e testata sono raffreddati, questo implica che una parte del calore generato dalla combustione verrà trasmessa alle pareti e quindi si avranno delle Perdite di Calore. Di conseguenza durante la compressione e l’espansione le trasformazioni non sono adiabatiche ma Politropiche (con scambio di calore con l’esterno). L’effetto è di una riduzione del lavoro utile corrispondente all’area A in Fig.1.6
• Nel ciclo ideale si suppone che la combustione avvenga a volume costante e quindi istantaneamente in realtà la combustione non è istantanea ma richiede un certo tempo. Per questo motivo è importante valutare opportunamente l’istante di accensione della miscela, infatti se avvenisse in corrispondenza del PMS si avrebbe la combustione durante l’allontanamento del pistone dal PMS riducendo il valore di picco della pressione e quindi il lavoro utile prodotto.
Per far sì che la combustione avvenga in corrispondenza del PMS occorre anticipare l’accensione è questo causa nel diagramma del ciclo un arrotondamento della curva teorica di introduzione del calore con conseguente perdita di lavoro utile
rappresentato dall’area B in Fig.1.6 Ovviamente tale perdita sarà influenzata dalla scelta dell’anticipo di accensione.
• Nel ciclo ideale trascurando il tempo di apertura delle valvole si suppone che la sottrazione del calore avvenga istantaneamente in corrispondenza del PMI. In realtà l’estrazione del calore dura un certo tempo e quindi è necessario aprire le valvole di scarico con un opportuno anticipo in modo da permettere la fuoriuscita di una parte di gas combusti prima di raggiungere il PMI.
Anche in questo caso si ha perdita di lavoro utile (area C) la cui entità è legata all’anticipo di apertura della valvola di scarico.
• Nel ciclo ideale vengono trascurati gli effetti fase di aspirazione e di scarico perché si annullano a vicenda. Questo non accade nel ciclo reale a causa del fatto che durante la corsa di aspirazione la pressione nel cilindro è inferiore a quella che si ha nella corsa di scarico. Tipicamente durante l’aspirazione la pressione è inferiore a quella atmosferica mentre accade il contrario durante lo scarico. Si ha quindi una perdita di lavoro rappresentata da un area negativa nel diagramma p-v è raffigurata dall’area D in Fig.1.6.
Il lavoro fatto dal motore per eseguire l’aspirazione e lo scarico prende il nome di lavoro di pompaggio e viene spesso considerato come perdita di lavoro per attrito.
1.6 Influenza dell’anticipo di accensione sul ciclo Otto Indicato
Nei paragrafi precedenti si è accennato al fatto che l’accensione della carica deve avvenire prima del PMS per fare in modo che la combustione, processo che richiede una certa durata, avvenga quanto più possibile in condizioni ideali, ossia a volume costante. Sperimentalmente l’istante di accensione viene fissato per tentativi in corrispondenza della potenza massima ottenibile al limite della detonazione o della ruvidità di funzionamento del motore. Tipicamente si fa scoccare la scintilla fra gli elettrodi della candela nel punto in cui la pressione è all’incirca la metà di quella al PMS. Se l’accensione è in ritardo la combustione avviene praticamente dopo il PMS, allora la massima pressione viene raggiunta dopo il PMS per cui avrà un valore più basso. Questo causa una riduzione del lavoro utile prodotto come si può constatare dalla riduzione dell’area del diagramma p-v in Fig.1.7a, effetto analogo al caso particolare di combustione lenta.
Se invece l’accensione si verifica in anticipo rispetto all’istante ottimale, la combustione avviene quasi completamente prima del PMS, allora il valore della pressione massima è maggiore rispetto al caso normale e il ciclo si modifica come in Fig.1.7b
