Dispensa

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Cenni storici:
Il primo motore a combustione interna venne progettato e sperimentato nel 1854 da due
fisici toscani: Barsanti e Matteucci. Si trattava di un motore primitivo; dopo pochi anni venne inventato il vero e proprio motore a due tempi e successivamente a quattro tempi
Elementi principali e relative funzioni:
NB: pero semplificare l’analisi tratteremo solo del motore a due tempi e quindi dei suoi
elementi e funzionamento, in quanto il motore a quattro tempi risulta molto più complicato.
CANDELA: tramite la corrente ad alta tensione, fa scattare la scintilla per accendere la
miscela nella camera di combustione.
CARBURATORE: elemento che permette di regolare il flusso di benzina diretta nella
camera di combustione.
CILINDRO: organo cavo a due pareti: una interna dove si compie il moto del pistone, e
una esterna funzionante da involucro. ALBERO MOTORE: attraverso un moto rotatorio viene ad esso applicata la forza motrice
del motore. BIELLA: organo meccanico costituito da un’asta com due cerniere alle estremitá per
trasformare il moto armonico del pistone in moto rotatorio dell’albero motore.
PISTONE: muovendosi su e giu lungo il cilindro fa muovere l’ albero motore tramite la
biella.
CORPO MOTORE E TESTATA: sono gli elemeti piu visibili una volta assemblato il motore in quanto contengono al loro interno tutti gli altri elementi; sono composti da leghe
metalliche( es.ghisa) affinchè resistano alle elevate temperature derivanti dalla combustione (scoppio).
Funzionamento:
E’ importante ricordare che il carburante, che ne permette il funzionamento, non è benzina pura, ma una miscela di benzina ed olio.
Questi elementi (benzina e olio) non entrano direttamente nella camera di scoppio, ma
fanno un giro vizioso: passano prima nel carter, dove l’olio lubrifica le parti in movimento (biella, manovella), poi entrano nella camera di scoppio attraverso un circuito
laterale. Quindi la lubrificazione degli organi meccanici presenti nel carter, avviene ad
opera dell’olio aggiunto al carburante in una percentuale (2% - 7%) fissata dal costruttore.
Le aperture presenti nel cilindro, sono dette luci. Esse vengono aperte e chiuse dal movimento del pistone, che di solito nella parte superiore è leggermente convesso. Questa
forma guida verso l’alto la miscela in entrata, verso il basso i gas in uscita e permette una
maggior compressione del combustibile nella camera di scoppio. L’apertura e la chiusura
delle luci non è perfetta e causa sempre qualche perdita di miscela o l’incompleto riempimento del cilindro. Quindi il motore a due tempi è poco adatto ad essere impiegato in
potenze medie e grandi.
Nel motore a due tempi il pistone svolge il suo lavoro scorrendo con movimento rettilineo alternato all’interno del cilindro, in una successione di fasi. Due fasi si compiono
in un mezzo giro dell’albero motore e corrispondono ad un tempo. Le quattro fasi o due
tempi, che si completano in un giro dell’albero motore, costituiscono un ciclo.
Nel primo tempo (movimento del pistone verso il basso) denominato scoppioespansione-scarico, lo stantuffo giunto al punto morto superiore (PMS), ha compresso la
miscela nella camera di scoppio. Nello stesso istante, la nuova miscela di benzina, olio ed
aria entra nel carter, perché è aperta la luce di aspirazione. Questa miscela proviene dal
carburatore: un dispositivo nel quale il carburante, sotto forma di goccioline piccolissime,
viene mescolato con l’aria in proporzioni ben precise.
Il combustibile compresso nella camera di scoppio si è riscaldato ed in questo momento
la candela produce la scintilla che fa bruciare la miscela. I gas prodotti dalla combustione
si espandono spingendo il pistone, che è l’unica parte mobile, verso il basso, facendogli
così compiere la sua fase attiva.
Questo movimento fa fare mezzo giro all’albero motore. Lo stantuffo scendendo apre la
luce di scarico ed i gas combusti, giungono tramite un condotto alla marmitta.
Il carburante bruciando consente la trasformazione dell’energia chimica posseduta dalla
benzina in energia meccanica a livello della biella-manovella e dell’albero motore, che si
mettono in rotazione.
Collegato all’albero motore si trova il volano, costituito da una ruota pesante che accumula energia in questa fase, per poi cederla all’albero motore nella fase passiva, permettendo così la salita del pistone al punto morto superiore (PMS).
Il secondo tempo consiste nella salita del pistone verso l’alto ed è detto alimentazione del
cilindro e compressione. Il pistone che si trova al punto morto inferiore (PMI) ha aperto
il circuito laterale. La miscela presente nel carter, che lo stantuffo ha compresso nella
sua discesa, entra attraverso questo condotto nel cilindro, favorendo la completa fuoriuscita dei gas combusti. Ora il pistone sale chiudendo tutte le luci e comprimendo la
miscela nella camera di scoppio. Questo meccanismo giunto quasi al punto morto superiore (PMS), apre la luce di aspirazione, attraverso la quale entra nuova miscela nel carter,
proveniente dal carburatore. La forza che permette l’afflusso del combustibile è prodotta
dalla depressione che si crea nel carter quando lo stantuffo sale al punto morto superiore
(PMS). Nella camera di scoppio tra un istante scoccherà una nuova scintilla ed il ciclo si
ripeterá.
Aspetto termodinamico:
Il motore in quanto è una macchina termica ha due sorgenti, una da cui riceve calore e
una a cui lo cede. La prima è costituita dalla camera di combustione (dove avviene lo
scoppio in cui la miscela si trasforma in gas), mentre la sorgente a cui cede calore è il radiatore, che serve per raffreddare il motore in modo da mantenerlo in temperatura. Ricordiamo che fino a non molti anni fa il raffreddamento era ad aria, mentre oggi quasi
tutti i due tempi, soprattutto per quanto riguarda le competizioni, hanno un raffreddamento a liquido, chiamato refrigerante, in quanto permette che il motore non si surriscaldi come invece avveniva con quelli raffreddati ad aria.
La temperatura media a motore caldo del liquido refrigerante (radiatore, sorgente fredda)
è di circa 100 C, mentre quella della sorgente calda raggiunge in media i 2000 C.
Per quanto riguarda il rendimento di un motore, esso dipende dal rapporto tra la temperatura di inzio e di fine ciclo, ma in media il modelli stradali piu efficienti non superano il 30%: non c’è da scandalizzarsi, in quanto il motore non riuscendo a sfruttare
molto calore data la velocità delle fasi e avendo come fonte di energia la benzina, deve
disperdere molto calore. Nonostante un rendimento abbastanza basso, oggi il motore è
praticamente la macchina termica piu diffusa. Ora illustriamo con delle immagini il ciclo termodinamico del motore.
OA: trasformazione isobara durante la quale la miscela aria-benzina viene introdotta nel
cilidro (aspirazione) e il pistone si muove verso il punto morto inferiore (in basso); il volume aumenta e quindi il lavoro è positivo, cioè compiuto.
AB: trasformazione adiabatica durante la quale il pistone si muove verso il punto morto
superiore (in alto) comprimendo la miscela aria-benzina (compressione) mentre le
valvole (di aspirazione è di scarico) sono chiuse; la pressione aumenta e il volume
diminuisce, quindi il lavoro è negativo, cioè subito.
BC: trasformazione isocora durante la quale avviene l’accensione della miscela e quindi
la combustione (scoppio): il lavoro è pari a zero in quanto il volume è costante.
CD: trasformazione adiabatica: durante la combustione, la miscela bruciando genera gas
e aumenta di volume spingendo il pistone verso il punto morto inferiore; il lavoro è positivo, quindi compiuto.
DA: trasformazione isocora durante la quale avviene l’apertura della valvola di scarico;
la pressione diminuisce (decompressione) e il volume è costante, quindi il lavoro è pari a
zero.
AO: trasformazione isobara durante la quale il pistone risale vero il punto morto superi-
ore espellendo i gas combusti attraverso la valvola di scarico; il volume diminuisce e il
lavoro è quindi negativo. Con questa trasformazione si ritorna al punto di partenza e avrà
inzio un nuovo ciclo.
Utilizzo oggi: Oggi l’uso dei motori a due tempi è molto limitato, sia per il maggior consumo di carburante rispetto ad un quattro tempi, sia perchè molto inquinante, in quanto nella camera di combustione viene bruciato l’olio oltre alla benzina. Nonostante questo, oggi molti
scooter e alcune moto 50cc e 125cc, utilizzano questo tipo di propulsore,dalle prestazioni
sicuramente più brillanti rispetto ad un 4 tempi della stessa cilindrata. Inoltre i due tempi sono particolarmente utilizzati nelle competizioni e negli strumenti di
giardinaggio (es. motoseghe, tagliaerba...), mentre per quanto riguarda le automobili si
sono praticamente estinti.
Per fare una piccola parentesi sulle automobili ricordiamo la Trabant: essa è
un’automobile tedesca inventata negli anni Cinquanta con motore a due tempi. Agli
inizi questo modello doveva essere un motoveicolo, che solo alla fine fu convertito in
un’automobile. Inizialmente montava un motore a due tempi di 595cc per 25 cavalli, successivamente a causa delle scarse prestazioni e degli elevati consumi molte persone sostituirono questo motore con quello della Volkswagen Polo o della Fiat 128. La costruzione
di questi modelli fu superata dalle case automobilistiche occidentali e, anche per le rigide
norme anti-inquinamento, la produzione cessò. Nei primi anni Novanta era possibile acquistare una di queste vetture per una cifra irrisoria, e per un certo periodo vi fu un vivace mercato. Con l’andare del tempo però si sono fatte più rare ed il loro prezzo è salito,
pur rimanendo sempre economiche. Nei primi anni era molto diffusa in quanto una delle
prime automobili; oggi però la si può vedere circolare solo in alcuni Paesi come Ungheria
o Romania, a causa dell’inquinamento e dello scarso rendimento del motore rispetto ad
un quattro tempi.