Cosa Succede in Un Secondo Dentro un Motore a Quattro Tempi?
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In un motore a quattro tempi, un secondo è un'intensa sequenza meccanica: il pistone compie decine di corse-complete alternative tra il punto morto superiore e inferiore, le valvole si aprono e si chiudono con un timing impeccabile e la combustione produce lavoro solo una volta ogni due giri dell'albero motore. Aspirazione, compressione, espansione e scarico: ciascuno di questi quattro tempi corrisponde a esattamente 180 gradi dell'albero motore e, più il motore gira ad alto regime, più un tempo si comprime in una piccola frazione di secondo.
In evidenza
- Un ciclo completo 720°, ovvero dura due giri dell'albero motore; ogni tempo 180° occupa.
- La potenza viene prodotta solo in uno dei quattro tempi: ogni 2 giri si ha un tempo di potenza.
- La candela tipicamente avvia la scintilla circa 20 gradi d'albero prima del punto morto superiore.
- Il motore a combustione interna converte in lavoro meccanico in media solo il 40-45% dell'energia fornita.
- Nei motori industriali la velocità media del pistone è limitata a circa 10 m/s .
Come funziona il motore a quattro tempi: i quattro passaggi all'interno del cilindro
Tutto inizia con la definizione di "corsa": la corsa è il percorso completo del pistone lungo il cilindro in una direzione qualsiasi. Quando il pistone è nella posizione più alta si trova al punto morto superiore (TDC), quando è nella posizione più bassa al punto morto inferiore (BDC). Il ciclo a quattro tempi si estende tra questi due punti per quattro corse e due giri completi dell'albero motore. Il moto lineare del pistone, tramite la biella, fa ruotare l'albero motore; per tutti e quattro i tempi l'albero motore compie 720 gradi.
Il ruolo delle valvole in questo ciclo è cruciale. Le valvole di aspirazione e scarico sono comandate da un albero a camme che ruota a metà della velocità dell'albero motore. Questo rapporto di mezzo velocità non è casuale, ma una necessità: poiché gli eventi delle valvole devono essere agganciati all'angolo dell'albero motore, l'albero a camme segue ogni ciclo a metà giri dell'albero motore.
1. Aspirazione: aspirare aria con un vuoto parziale
Quando il pistone inizia a scendere dal punto morto superiore, la valvola di aspirazione è aperta. La discesa del pistone aumenta il volume del cilindro e crea al suo interno un vuoto parziale, cioè una pressione negativa. Questa differenza di pressione aspira la miscela aria-carburante nel cilindro. Il tempo di aspirazione è la discesa completa del pistone dal PMS al PMI e occupa i primi 180 gradi del ciclo.
2. Compressione: concentrare l'energia
Al punto morto inferiore la valvola di aspirazione si chiude e inizia la compressione. Ora entrambe le valvole sono chiuse; il pistone sale comprimendo la miscela aria-carburante nel ristretto volume della camera di combustione. La compressione ha due funzioni: favorire l'evaporazione del vapore di carburante e liberare più energia alla accensione. L'energia spesa per comprimere è solo circa un quarto di quella prodotta dalla combustione; quindi l'investimento è redditizio.
Misurare il rapporto di compressione è uno dei modi più rapidi per comprendere il carattere di un motore. Nei motori a benzina l'intervallo comune va da 6:1 a 10:1 ; all'aumentare del rapporto cresce l'efficienza, ma aumenta anche il rischio di autoaccensione della benzina, ovvero il fenomeno del battito in testa. Per questo l'indice di ottano della benzina misura la resistenza all'autoaccensione: un ottano più alto consente un rapporto di compressione più elevato.
3. Potenza: l'unico tempo della corsa che produce lavoro
Alla fine del tempo di compressione, circa 20 gradi di angolo dell'albero motore prima del punto morto superiore, la candela genera la scintilla. Perché non esattamente al punto morto? Perché il fronte di fiamma ha bisogno di tempo per propagarsi lungo la camera di combustione; la scintilla scatta in anticipo in modo che il picco di pressione si raggiunga proprio quando il pistone è al punto morto superiore, producendo la spinta. La miscela in combustione spinge il pistone verso il PMI, generando il lavoro meccanico che fa ruotare l'albero motore. Solo in questo tempo, durante l'intero ciclo, si produce lavoro; indipendentemente dal numero di cilindri, ogni motore a quattro tempi riceve un tempo di potenza ogni 720 gradi. Il segreto del funzionamento regolare dei motori multicylindro è la fusione di questi tempi di potenza sull'albero motore.
4. Scarico: svuotare la camera di combustione
Quando il pistone raggiunge il punto morto inferiore, la valvola di scarico si apre e nell'ultima metà del ciclo il pistone sale espellendo i gas di scarico dalla luce di scarico. Al punto morto superiore il cilindro è pulito, la valvola di aspirazione è pronta per aprirsi di nuovo e il ciclo ricomincia da capo. Ogni riempimento del cilindro significa il ricostituirsi del ciclo di due giri.
Quanto dura un tempo al crescere dei giri?
La risposta si trova con pura aritmetica. Poiché un ciclo di funzionamento dura due giri dell'albero motore, il regime del motore determina direttamente la durata di un tempo. Ad esempio, a 1.000 rpm il motore compie circa 16,7 giri al secondo; un ciclo completo dura circa 60 millisecondi, quindi un singolo tempo dura 15 millisecondi. A 6.000 rpm ci sono 100 giri al secondo e ogni tempo, incluso quello di potenza, scende a circa 2,5 millisecondi. Combustione, movimento delle valvole e flusso dei gas devono tutti organizzarsi su queste scale.
È anche la fisica a determinare il limite di giri. La velocità media del pistone è una funzione della corsa e del regime; nei motori industriali questa velocità è limitata a circa 10 m/s per non compromettere la lubrificazione delle pareti del cilindro. Ad alti regimi subentrano due problemi tipici: se le molle delle valvole non riescono a seguire, si verifica il "galleggiamento delle valvole" e il contatto pistone-valvola può danneggiare gravemente il motore. Inoltre, il tremolio delle fasce elastiche può causare una perdita di pressione nel cilindro e di potenza. In sintesi, il limite di quanto un tempo possa comprimersi in una frazione di secondo è tracciato dalla resistenza dei materiali e dalla lubrificazione.
Benzina o Diesel: stesso ciclo, accensione diversa
Le fasi del ciclo a quattro tempi sono identiche in entrambi i motori; la differenza sta nel metodo di accensione che avvia il tempo di potenza. Il motore a benzina è ad accensione per scintilla: la candela infiamma la miscela compressa. Il diesel è ad accensione per compressione; l'elevato calore generato dalla compressione autoaccende il gasolio, capace di infiammarsi alle pressioni presenti nel motore, rendendo superflua la candela. La tendenza all'autoaccensione del gasolio è definita dal numero di cetano; funziona con una logica esattamente opposta a quella del numero di ottano della benzina. A causa della bassa volatilità del gasolio, il metodo più comune per l'avviamento a freddo è l'uso delle candele di preriscaldamento.
| Caratteristica | Motore a Benzina | Motore Diesel |
|---|---|---|
| Accensione | Accensione per scintilla (candele) | Accensione per compressione (calore di compressione) |
| Ciclo | Ciclo Otto | Ciclo Diesel |
| Misura della resistenza del carburante | Numero di ottano | Numero di cetano |
| Rapporto di compressione | Tipicamente 6:1 - 10:1 | Il calore di compressione è elevato e favorevole all'accensione |
| Caratteristica dei regimi di rotazione | Funziona a regimi più alti | Funziona a regimi più bassi; il carburante brucia più lentamente |
Il fatto che il gasolio bruci più lentamente della benzina spiega perché i motori diesel funzionano a regimi più bassi; il basso regime riduce l'usura del motore. Per questo la differenza di carattere tra i due motori deriva non dal ciclo in sé, ma dalla velocità di combustione del carburante.
Come le Tecnologie Moderne Migliorano Questi 720 Gradi?
Il ciclo di base non è cambiato dal 1876; ciò che è cambiato è l'efficienza con cui viene sfruttato ogni segmento di 180 gradi. Tre contributi moderni si distinguono.
Fasatura variabile delle valvole (VVT)
Un albero a camme fisso ottimizza gli eventi delle valvole in un'unica fascia di regime. La fasatura variabile delle valvole, invece, regola in tempo reale la temporizzazione dell'apertura della valvola in base al regime del motore, garantendo una distribuzione di potenza ottimale e un'accelerazione più fluida. Una migliore gestione della miscela aria-carburante migliora l'efficienza della combustione; in condizioni di carico parziale è stato misurato un fino al 5% miglioramento dell'economia di carburante.
Iniezione diretta (GDI)
Nell'iniezione diretta, utilizzata in molti moderni motori a benzina a quattro tempi, l'ugello dell'iniettore si estende nella camera di combustione e la benzina viene iniettata nel cilindro a pressione molto elevata durante la fase di compressione, con il pistone al punto morto superiore. In altre parole, il carburante non viene più fornito durante la fase di aspirazione, ma nel segmento più critico del ciclo, con una precisione al millimetro.
Turbocompressore: rubare potenza alla fase di scarico
Il turbocompressore è un gruppo turbina a due parti ad alto regime situato all'uscita dello scarico: un lato viene alimentato dal flusso di scarico, l'altro comprime l'aria di aspirazione. La fase di scarico trasporta per lo più energia sprecata; poiché il turbo lavora con questa pressione, funziona in modo più efficiente e forzando più aria nel cilindro permette di ricavare più potenza da ogni fase di potenza. In uno studio con turbocompressore variabile, la potenza erogata è stata migliorata del 165% rispetto a un modello aspirato. Il limite noto del progetto è il turbo-lag: la potenza non arriva istantaneamente, serve un aumento di regime e di pressione; al minimo e a velocità basse-medie il motore funziona praticamente come aspirato.
Il Tetto dell'Efficienza e una Breve Storia
Un motore a combustione interna può convertire in lavoro meccanico in media solo il 40-45% dell'energia fornita; i motori Otto più efficienti funzionano a circa 30% di efficienza termica e il calore rimanente si perde con l'attrito e negli accessori. Inoltre, i motori possono essere costruiti deliberatamente un po' meno efficienti per i controlli delle emissioni come il catalizzatore. Il ciclo Atkinson, invece, offre efficienza a scapito della densità di potenza ed è utilizzato nelle moderne applicazioni ibride; molti motori moderni realizzano questa economia con fasature delle valvole non convenzionali per produrre l'effetto di una compressione breve e una fase di potenza lunga.
Anche la storia è istruttiva: Otto, nel 1861, mentre testava il motore di Lenoir, notò l'effetto della compressione sull'efficienza; nel 1876 Otto e Langen crearono il primo motore a combustione interna di successo che comprimeva la miscela di carburante prima della combustione. Nel 1883 Daimler e Maybach produssero il primo motore Otto ad alta velocità, e nel 1885 Daimler con la Reitwagen realizzò il primo veicolo al mondo con motore a combustione interna; nel 1886 Karl Benz sviluppò il suo veicolo con motore a quattro tempi, considerato la prima automobile. Il motore diesel è un raffinamento tecnico del ciclo Otto del 1876: Rudolf Diesel creò il suo motore di successo nel 1893. Oggi il progetto a quattro tempi, in uno spettro che va dalle automobili ai camion, dai treni diesel agli aerei leggeri e alle motociclette, è l'architettura di motore a combustione interna più diffusa tra i veicoli stradali.
Conclusione: Quattro Fasi di 180 Gradi
Tutta la fisica del motore a quattro tempi si può ridurre a quattro fasi suddivise nella corsa di 720 gradi dell'albero motore: riempimento a vuoto, compressione in volume chiuso, combustione che produce lavoro una sola volta e pulizia. Tecnologie come la fasatura delle valvole, l'iniezione e il turbo servono tutte lo stesso obiettivo: ricavare maggiore efficienza da ogni millisecondo di queste fasi. Quando questo fondamento diventa chiaro, il resto della tecnologia dei motori, dal rapporto di compressione al ritardo del turbo, diventa molto più leggibile.