Motore a quattro tempi

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I motori a quattro tempi, sono i 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, etanolo, E85 ed E95.

 

Indice [nascondi]   1 Introduzione 2 Storia 3 Funzionamento/fasi del ciclo 3.1 Aspirazione 3.2 Compressione 3.3 Accensione ed Espansione 3.3.1 Motori ad accensione comandata 3.3.2 Motori ad accensione spontanea 3.4 Scarico 4 Accorgimenti 5 Controlli 6 Note 7 Voci correlate 8 Collegamenti esterni

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Introduzione [modifica]

Questo tipo di motore oltre che nelle automobili, sono di larga diffusione sulle motociclette e più recentemente sugli scooter, anche a causa delle norme antinquinamento che penalizzano i motori a due tempi e li rendono costosi, per via delle soluzioni che devono adottare per abbattere l'inquinamento che producono.

Il termine "a 4 tempi" deriva dal fatto che la combustione avviene per quattro passaggi successivi:

1. Aspirazione: l'aria (eventualmente miscelata con il combustibile vaporizzato) entra nel cilindro.
2. Compressione: il gas (aria o miscela) aspirato viene compresso e viene provocata la combustione (per iniezione del combustibile,come nei disel,dove un iniettore polverizza le gocce di carburante o per effetto di una scintilla,come nei benzina,dove c'è una candela,spesso costituita da una parte in porcellana,e una parte in metallo,ed è percorsa da un filamento che porta la corrente ad alta tensione,chiamato spinterogeno).
3. Espansione: il combustibile si infiamma e il pistone viene spinto verso il basso,ed è l'unica fase definita attiva
4. Scarico: il gas di scarico viene espulso

Storia [modifica]

Il quattro tempi è stato primo motore brevettato da Eugenio Barsanti e Felice Matteucci nel 1854, seguita da un primo prototipo nel 1860, inoltre è stato concettualizzato dall'ingegnere francese Alphonse Beau de Rochas nel 1862.

Tuttavia l'ingegnere tedesco Otto Nicolaus, in collaborazione con Gottlieb Daimler e Wilhelm Maybach, è stato il primo a sviluppare un funzionamento a quattro tempi, nel 1876, ed è per questo che i quattro tempi principio oggi è comunemente noto come il ciclo Otto.

Funzionamento/fasi del ciclo [modifica]

 

 

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, come meglio spiegato qui di seguito.

Aspirazione [modifica]

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.

Per i motori diesel si ha solo l'aspirazione d'aria e l'iniezione diretta.

 

Il pistone nella posizione di punto morto superiore	1. Aspirazione

 

Compressione [modifica]

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.

Nei motori diesel viene compressa aria e le pressioni raggiunte al termine di questa fase sono maggiori rispetto a quelle dei motori ad accensione comandata. L'elevata temperatura incendia il combustibile iniettato alla fine della fase di compressione.

 

2. Compressione

 

Accensione ed Espansione [modifica]

Sfruttamento dell'energia sviluppata dalla combustione

 

3. Combustione	4. Espansione

 

Motori ad accensione comandata [modifica]

Nei motori ad accensione comandata un sistema elettronico rileva la posizione del pistone; quando è nella posizione desiderata dalla candela, viene scoccata una scintilla ed inizia la combustione.

È importante sottolineare come in questa fase non avvenga uno scoppio (come si usa erroneamente dire), bensì una combustione. All'interno di un motore la combustione deve avvenire con la maggiore velocità possibile senza però dare luogo ad un'esplosione perché le parti meccaniche sarebbero soggette ad un'usura che supera abbondantemente i parametri progettuali e porta rapidamente alla rottura meccanica.

Motori ad accensione spontanea [modifica]

Nei motori ad accensione spontanea come i diesel, la combustione del combustibile iniettato alla fine della fase di compressione avviene spontaneamente a causa dell'elevata temperatura e pressione che si formano al termine della compressione.

Dopo la rapidissima combustione, all'interno della camera si sono formati dei gas ad altissima pressione e temperatura che hanno una grande entalpia. La miscela di gas caldi, compiendo lavoro sul pistone, lo spinge fino al PMI.

Poiché tutti i pistoni sono collegati tra loro attraverso l'albero motore, mentre uno sale un altro scende, e il meccanismo va avanti.

Scarico [modifica]

La/e valvola/e di scarico si aprono prima che il pistone arrivi al PMI questa fase si chiama "Scarico libero", sceso al PMI risale spinto dal movimento degli altri pistoni o per effetto delle masse volaniche nei motori monocilindrici "Scarico forzato", 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 e in alcuni casi , come nel motore diesel, anche dal filtro attivo antiparticolato, filtrando i gas e scaricandoli nell'aria.

 

4. Scarico

 

Accorgimenti [modifica]

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, come contro si ha una perdita di combustibile nei sistemi diversi dall'iniezione diretta, nelle condizioni di non operabilità a regime, questa situazione viene leggermente compensata dall'uso di sistemi a distribuzione variabile.
• Ritardo dell'aspirazione: è una tecnica che consiste nel far chiudere in ritardo le valvole d'aspirazione, dove invece che chiudersi al raggiungimento del PMI da parte del pistone, queste si chiudono quando il pistone sta risalendo; ciò è necessario per migliorare il riempimento, dato che i gas freschi hanno un'inerzia che impedisce un riempimento ideale, quest'accorgimento viene ottimizzato per un determinato regime e carico d'operabilità.
• Anticipo di scarico: è una tecnica che consiste nel far aprire in anticipo le valvole di scarico, dove l'apertura delle valvole avviene prima che il pistone raggiunga il PMI, 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 piu 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 da una centralina, questo perché la distribuzioni delle fasi, hanno dei limiti d'operabilità, dove i valori di settaggio sono ottimali per una determinata situazione di funzionamento, questa situazione è migliore nei sistemi a fasatura variabile, che riescono ad avere piu situazioni ottimali, ma che hanno sempre dei limiti nelle altre situazioni, con questa valvola, si riesce a mutare la resistenza in aspirazione e quindi il riempimento del cilindro nelle varie situazioni, compensando il ritardo in chiusura ed evitando fenomeni di reflusso dell'aria e migliorando l'efficienza.
• Valvola di gestione allo scarico[1], questa valvola è governata da un motorino elettrico, controllato da una centralina, questo perché la distribuzioni delle fasi, hanno dei limiti d'operabilità, dove i valori di settaggio sono ottimali per una determinata situazione di funzionamento, questa situazione è migliore nei sistemi a fasatura variabile, che riescono ad avere piu situazioni ottimali, ma che hanno sempre dei limiti nelle altre situazioni, con questa valvola si riesce a ridurre ad aumentare 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.

Controlli [modifica]

Tali motori richiedono di tanto in tanto dei controlli dei vari liquidi, come ad esempio l'olio motore, che va controllato con l'asta dell'olio, mentre la spia dell'olio serve solo a indicare la mancata pressione dello stesso, inoltre va controllato anche il livello dell'acqua del radiatore e dei tergicristalli nel caso di autovetture, camion o simili.