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Capitolo 1

Il motore a quattro tempi ad accensione

comandata

1.1 Il ciclo operativo

Vengono chiamati a quattro tempi quei motori alternativi dove il ciclo compiuto dal uido operante all'interno del cilindro richiede quattro corse dello stantuo a ciascuna delle quali corrisponde, approssimativamente, una fase del ciclo.

Le quattro fasi sono le seguenti:

• Fase di aspirazione (Fig. 1.1 (a))

In questa prima fase lo stantuo, spostandosi dall'alto verso il basso, richiama uido fresco nel cilindro. L'ingresso del uido è reso possibile dall'apertura della valvola di aspirazione avvenuta poco prima che iniziasse la corsa discendente dello stantuo.

• Fase di compressione (Fig. 1.1 (b))

Terminata la fase di aspirazione lo stantuo inizia la sua corsa ascendente, contempora-neamente la valvola di aspirazione si chiude e la carica fresca aspirata viene compressa nella camera di combustione.

• Fase di combustione ed espansione (Fig. 1.1 (c))

Verso la ne della fase di compressione inizia la combustione innescata mediante una scintilla elettrica. La combustione provoca il repentino aumento di pressione e tempe-ratura del uido contenuto nel cilindro che in tal modo compie lavoro utile durante la nuova corsa discendente dello stantuo.

• Fase di scarico (Fig. 1.1 (d))

Poco prima che termini la corsa di espansione, si apre la valvola di scarico. I gas combusti cominciano a uscire dal cilindro e vengono scaricati durante la successiva corsa ascendente dello stantuo.

Terminata questa fase la valvola di scarico si chiude, nel frattempo si riapre quella di aspirazione e inizia così un nuovo ciclo.

Figura 1.1: Ciclo a quattro tempi.

1.2 Il ciclo indicato di un motore AC a quattro tempi

Il ciclo indicato (o di lavoro) è quello eettivamente svolto dal uido in seno al motore. I cicli rilevati sperimentalmente, in genere, riportano la pressione all'interno del cilindro in funzione del tempo o dell'angolo di manovella, ma è possibile, mediante semplici relazioni cinematiche, ottenere diagrammi in coordinate pV. La gura 1.2 riporta il tipico andamento del diagramma pressione-volume di un motore a quattro tempi ad accensione comandata non sovralimentato.

Con riferimento alla gura 1.2 si denisce lavoro attivo La

La=

Z

p dv (1.1)

il lavoro compiuto dai gas sul pistone, cioè quello corrispondente all'area positiva del ciclo (quella percorsa in senso orario).

La parte a bassa pressione del ciclo (quella percorsa in senso antiorario) rappresenta il lavoro compiuto dal pistone sul gas, detto lavoro passivo Lp.

Figura 1.2: Ciclo indicato di un motore a quattro tempi ad accensione comandata.

Questa grandezza permette di denire anche il rendimento indicato, inteso come il suo rapporto con il calore fornito al ciclo:

ηi =

Li

Qi (1.3)

Si denisce pressione media indicata il rapporto tra il lavoro indicato e la cilindrata:

pmi=

Li

Vp (1.4)

1.3 I parametri che identicano le prestazioni reali del

motore

Per descrivere le prestazioni reali del motore, sia in termini di lavoro fornito che di ecienza con cui questo lavoro è ottenuto a partire dal potere calorico del combustibile, è necessario fare riferimento al lavoro eettivo Le, denito come il lavoro indicato meno il

lavoro di attrito Lat, cioè l'energia perduta a causa degli attriti e spesa per l'azionamento

degli organi ausiliari del motore (ad esempio le pompe e i generatori elettrici).

Le = Li− Lat (1.5)

L'espressione del rendimento meccanico è quindi:

ηm=

Le

Si denisce pressione media eettiva (pme) il rapporto: pme = Le Vp (1.7) Di conseguenza: ηm = pme pmi (1.8)

Inne, si denisce pressione di attrito (pat) il rapporto fra il lavoro di attrito e la cilindrata:

pat =

Lat

Vp (1.9)

Dalle denizioni precedenti consegue anche che:

pme = pmi− pat. (1.10)

1.4 Breve panoramica dei campi di applicazione.

Il motore a quattro tempi ad accensione comandata trova attualmente impiego in una vasta gamma di applicazioni, il suo utilizzo si va via via estendendo nel campo delle piccole cilin-drate, dominate no a poco fà dal motore a due tempi, soprattutto in seguito all'inasprirsi delle normative internazionali contro le emissioni inquinanti. In una breve rassegna possiamo menzionare:

• Campo agricolo ed industriale

Si parte dai piccoli monocilindrici di 30 cm3_{di cilindrata utilizzati per l'azionamento dei}

decespugliatori a salire no a potenze di 58 kW dei motori impiegati per movimentare tagliaerba, pompe centrifughe, piccoli generatori elettrici.

• Campo motociclistico

Nel campo dei veicoli a due ruote il dominio è quasi totale, se si escludono i ciclomotori e le motociclette da trial e da cross. I frazionamenti vanno dal monocilindrico al quattro cilindri con potenze da 3 a 150 kW circa, con sistemi di alimentazione a carburatore o ad iniezione.

• Campo automobilistico

Nelle autovetture viene utilizzato dalle utilitarie alle vetture sportive e di elevata cilin-drata con frazionamenti che vanno dal tre cilindri no al dodici cilindri con cilindrate da ∼ 800 cm3 _{no ad oltre 6000 cm}3 _{Attualmente lo sviluppo procede verso lo studio}

In campo aeronautico inne il motore a quattro tempi ad accensione comandata ha toccato l'apice dello sviluppo nei primi anni cinquanta, no all'avvento del turbogetto. Allo stato attuale trova impiego negli ultraleggeri e nei piccoli velivoli mono e bimotore in versioni sovralimentate e non con frazionamenti a quattro e sei cilindri e potenze no a circa 300 kW .

Figura 1.3: Generatore Yamaha EF1000iS [2005]. Monocilindrico, cilindrata 50 cm3_{, potenza 1.6 kW @}

6000 giri/min.

Figura 1.4: Volkswagen TSI Twincharger [2005]. Cilindrata 1400 cm3_{, 4 cilindri in linea ad iniezione diretta}

di carburante. Sovralimentato con compressore volumetrico ad azionamento meccanico + turbocompressore a gas di scarico. Potenza max 170 cv @ 6000 giri/min; coppia 240 Nm @ 17504500 giri/min.

Figura 1.5: CurtissWright R3350 turbocompound [1950]. Cilindrata 54560 cm3_{, 18 cilindri a doppia}

stella rareddato ad aria sovralimentato con compressore centrifugo a doppio stadio. Alesaggio e corsa 155,6 x 160,2 mm. Potenza al decollo 3700 hp @ 2900 rpm.