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Motori endotermici a combustione interna

di Sara Bergandi, Stefano Cantoni, Leonida Fossati, Alfredo Greco

Motore a 4 tempi

Un ciclo termico come già visto è l'insieme di trasformazioni termodinamiche che si ripetono periodicamente all'interno di un motore al fine di produrre lavoro dall'energia chimica del combustibile rilasciata come calore. A ciascuno dei cicli descritti in precedenza vedremo ora che si associano precisi movimenti del pistone e degli organi valvolari la dove sono presenti. Si ricorda che il PMS o punto morto superiore è il punto superiore della corsa del pistone cioè la posizione in cui lo spazio occupato dai gas è minimo e costituisce la camera di combustione. Il PMI è invece il punto inferiore della corsa cioè il punto in cui lo spazio occupato dai gas è massimo.

Motore a quattro tempi

A inizio ciclo il pistone si trova al punto morto superiore
1° fase Aspirazione Durante la prima fase mentre il pistone si muove dal PMS al PMI la valvola di aspirazione è aperta e viene introdotta la miscela di aria e benzina . L'aumento di volume infatti crea un abbassamento della pressione ed è proprio la differenza di pressione tra l'esterno e la camera del ciclindro che fa si che l'aria venga aspirata attraversando il carburatore dove si mescola con la benzina. L'introduzione di tale miscela dura finchè il cilindro giunge al PMI dopodichè la valvola di aspirazione si chiude e la camera rimane isolata dall'esterno (la valvola di epulsione naturalmente durante questa operazione è rimasta chiusa).
2° fase Compressione Il pistone risale ora dal PMI al PMS comprimendo la miscela. Come già detto durante questa fase entrambe le valvole rimangono chiuse. Al termine di questa fase la miscela sarà interamente compresa all'interno della camera di combustione o di scoppio e raggiungerà pressioni comprese tra le 8 e le 10 atm (kg/cm2) e temperature tra i 230°C e i 300 °C
3° fase scoppio ed espansione Quando il pistone è giunto al PMS una scintilla, proveniente dalla candela, avvia la combustione della miscela. La temperatura arriva così fino a 2000°C innalzando la pressione fino a 30-35 atm e imprimendo sul pistone una spinta verso il basso cioè verso il PMI a cui consegue un'espansione. Questa è l'unica fase attiva del ciclo cioè l'unica in cui viene prodotto lavoro. Anche durante questa fase entrambe le valvole sono rimaste chiuse.
Scoppio	Espansione
4° fase Scarico Finita l'espansione il pistone si trova al PMI e la miscela si è per lo più trasformata in gas combusti. Viene quindi aperta la valvola di scarico e il pistone risalendo verso il PMS li espelle. Al termine della fase ci si ritrova quindi nelle condizioni iniziali pronti per un nuovo ciclo. Ripercorrendo quanto detto si può verificare che vi sono stati 4 passaggi dal PMI al PMS o viceversa (si sarà cioè percorsa 4 volte la corsa del ciclindro in un senso o nell'altro). Poichè ad ogni passaggio corrisponde mezzo giro dell'albero motore si sono fatti in tutto 2 giri.

Motore a ciclo Otto

Ripercorriamo ora le fasi del ciclo a quattro tempi associandole con quelle del ciclo otto. Rappresentiamo sul piano cartesiano il piano p,v (pressioni volumi), ponendo la pressione sull'asse delle ordinate e al posto del volume, sull'asse delle ascisse, un asse che descriva gli spostamenti del pistone pari ai valori del volume della camera in ogni punto a meno di una costante (il volume è pari al volume iniziale più lo spostamento moltiplicato per l'area del pistone che è costante).

All'ininizio del ciclo, come già visto, ci si trova in corrispondenza del PMS, la valvola di aspirazione si apre verso l'esterno portando la camera alla pressione atmosferica e il cilindro comincia a muoversi verso il PMI. Sul diagramma ci si sposta dal punto A al punto B rimanendo la pressione costante mentre il volume aumenta.Si ha quindi una trasformazione isobara
Nella seconda fase o fase di compressione il pistone torna al PMS mentre le valvole sono chiuse. Si ipotizza che non vi siano scambi di calore tra fluido e cilindro o con l'esterno e si ha quindi una trasformazione adiabatica in cui la pressione aumenta e il volume diminuisce. Sul diagramma ci si sposta da B a C.
Quando il pistone giunge al punto medio superiore la candela innesta la combustione che avviene a volume costante (trasformazione isocora) poichè si suppone che sia istantanea e che quindi il pistone non abbia il tempo di muoversi prima che sia finita. Sul diagramma ci si sposta dal punto C al punto D.
Quando il pistone comincia a muoversi nuovamente verso il PMI inizia la fase di espansione e si ha quindi un'aumento del volume e una diminuzione della presione ancora una volta lungo una trasformazione adiabatica poichè si ipotizza nuovamente che non vi siano scambi di calore. Sul grafico ci si sposta dal punto D al punto E. Quando si giunge al PMI si apre la valvola di scarico e la pressione torna istantaneamente (e quindi a cilindro fermo) al valore ambiente (1 atm). Sul grafico ci si sposta da E a B lungo un'isocora. Infine il pistone torna al PMS espellendo i gas. Quest'ultima operazione avviene a pressione ambiente e sul grafico ci si sposta lungo un'isobara da B ad A.

Motore a ciclo Diesel

Un altro mototre basato su un ciclo a 4 tempi è quello Diesel. Le fasi ora saranno le seguenti: 1° fase aspirazione: viene aspirata solo aria all'interno della camera di combustione la valvola di aspirazione sarà apertà, la pressione pari a quella ambiente e sul grafico ci si muoverà dal punto 5 al punto 4;
2° fase compressione: si ha anche qui una compressione adiabatica con entrambe le valvole chiuse mentre sul grafico ci si muove dal punto 5 al punto 1. Si raggiungono temperature intorno ai 400°C.
3° fase espansione: Al termine della fase precedente vienen introdotto nel cilindro il combustibile vaporizzato che essendo ad una temperatura superiore al punto di autocombustione brucia spontaneamente all'istante. Sul grafico ci si sposta dal punto 1 al punto 2 lungo un'isobara ( mentre nel ciclo otto la combustione era isocora).
Il pistone spinto dall'energia prodotta dalla cobustione torna al PMI adiabaticamente producendo lavoro ( anche qui questa è l'unica fase attiva). Sul grafico ci si sposta dal punto 2 al punto 3 .
4° fase scarico: Infine la valvola di scarico si apre, la pressione torna bruscamente al valore ambiente e sul grafico ci si sposta dal punto 3 al punto 4. Il pistone torna quindi al PMS espellendo i gas combusti. Sul grafico si torna al punto 5 da cui ricomincia il ciclo.

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