Motore termico

Motore radiale, del tipo a doppia stella raffreddato ad aria

Un motore termico o motore a combustione è una macchina termica che funziona da motore, cioè usa il calore come vettore energetico per la produzione di lavoro (solitamente di tipo meccanico), come le turbine a gas, i motori a combustione interna, motori a combustione esterna (motori a vapore), eccetera.

Tipo di combustione

La combustione dei motori termici può essere di due tipi:

• Interna, caratterizzati da una combustione interna al motore
• Esterna, caratterizzati dallo sfruttamento di una combustione esterna di un motore

Modalità operativa

Nei motori termici il funzionamento può essere di due tipi: continuo (motore a turbina) o suddiviso in fasi (motore volumetrico).

• Motore a funzionamento continuo, con questo motore la produzione d'energia è costante nel tempo, dato che come dice il nome è continua, volendo dividere dal punto di vista funzionale questo motore, si può dire che in esso sono individuabili tre zone, delimitate nella camera di combustione, dove ogni zona c'è la trasformazione del carburante in energia, in modo continuo.
• Motore a funzionamento in fasi, con questo motore si riesce ad avere energia dai pistoni, sia che questi siano alternativi sia che siano rotanti; il funzionamento è divisibile in fasi, in ciascuna delle quali si ha un'azione diversa, necessaria per ricavare energia dal combustibile.

Raffreddamento

Il raffreddamento del motore termico può essere:

• Assente, il motore non ha bisogno di essere raffreddato o non è possibile raffreddarlo, come ad esempio i motori a combustione esterna.
• Presente, il motore necessita del raffreddamento per poter funzionare in modo corretto e costante.
  • Free cooling, adopera dei sistemi che non sfruttano energia per poter funzionare, in questa categoria possono ricadere tutti gli altri sistemi di raffreddamento.
  • Raffreddamento ad aria, sistema che sfrutta la maggiore superficie di contatto con l'aria, tramite uso di alettature.
  • Raffreddamento ad aria e olio, sistema misto tra il sistema ad aria e il sistema a liquido.
  • Raffreddamento a liquido, sistema che raccoglie il calore dal cilindro, per poi espellerlo tramite un liquido.

Per approfondire, vedi Impianto di raffreddamento.

Distribuzione delle accensioni

La distribuzione dell'accensione o raggiungimento del PMS varia a seconda del tipo di configurazione delle unità motore e hanno determinate caratteristiche (di vibrazione e trazione) che si vogliono avere.

Questa distinzione viene utilizzata per i motori pluricilindrici/plurifrazionati, generalmente viene presa in considerazione il motore quadricilindrico e influisce sulla costruzione dell'albero motore:

• Big Bang, questa configurazione è caratterizzata dal raggiungimento in contemporanea del PMS e accensione da parte di tutte le unità termiche o più precisamente quando lo si ha nell'arco di una singola rotazione, facendo risultare il motore come un monocilindrico.
• Twin pulse, questa configurazione è utilizzata principalmente su motori con unità pari ed è caratterizzata dal raggiungimento contemporaneo del PMS e accensione prima da una metà delle unità del motore (se si ha un motore quadricilindrico si parla di due unità, se si parla di un motore esacilindrico si parla di tre unità), poi dalle unità restanti, queste due fasi vengono generalmente equidistanziate, prendendo la denominazione "scoppi simmetrici", quindi avendo un'accensione ogni 360° di rotazione per i motori a quattro tempi, mentre nei altri casi prende la denominazione "scoppi asimmetrici".
• Screamer, questa configurazione è caratterizzata dal raggiungimento equidistante del PMS da parte delle varie unità, in modo che si ha un'accensione a ogni 180° nel caso di motori quadricilindrici a quattro tempi, generalmente questa è la disposizione tipica dei motori automobilistici stradali in linea a quattro tempi.
• Accensioni regolari, questa configurazione è caratterizzata da un'accensione progressiva delle varie unità, in modo del tutto simile al motore "Screamer", ma si differenzia per il fatto che queste accensioni non sono forzatamente equidistanti, questa configurazione viene usata principalmente sui motori a V, con un angolo diverso da 90° e 180° e usano un albero motore dove si hanno due bielle per manovella, come nei motori sportivi.
  Questa disposizione può prendere la denominazione, anche se impropria, " Four pulse" nel caso dei quadricilindrici, "Five pulse" nel caso dei pentacilindrici, ecc.
• Accensioni irregolari, questa configurazione è caratterizzata da un'accensione progressiva delle varie unità, in modo del tutto simile al motore "Screamer", ma si differenzia per il fatto che queste accensioni non sono equidistanti tra loro, infatti nei motori quadricilindrici invece che essere a ogni 180°, hanno le combustioni che avvengono a 0°, 180°, 270° (dopo altri 90°), 450° (dopo altri 180°) e ricominciano dopo altri 270° (due giri completi), questo motore è caratterizzato pertanto da un albero a gomiti a crociera.

Disposizione delle unità

Disposizione delta

Il motore del tipo a ciclo termico può avere diversi per la disposizione dei vari elementi:

• Tandem, i cilindri hanno ognuno un albero motore, il quale si collega in punti diversi della campana frizione.
• Linea, i cilindri hanno i cilindri disposti lungo una linea retta e paralleli tra loro, sfruttando lo stesso albero motore.
  • Sogliola, motore con i cilindri in linea, con una disposizione parallela rispetto all'asfalto.
  • U & Motore in quadrato, costituito da una coppia di cilindri in "linea" disposti a "tandem", il motore in quadrato è caratterizzato da due motori "bicilindrici in linea" disposti a "tandem".
  • Boxer a cilindri contrapposti, sono dei motori con cilindri e alberi in linea contrapposti, collegati tra loro tramite un sistema tandem.
• V, i cilindri sono disposti lungo una linea, ma non sono paralleli tra loro e sfruttano un solo albero motore.
  • Motore a cilindri paralleli è un motore (bicilindrico) a V, ma con i cilindri che sono paralleli tra loro e che per questo hanno un angolo di 0° tra loro.
  • L, è un motore a V da 90°.
  • Motore boxer&Cilindri contrapposti, sono dei motori a V a 180°.
    • Δ, motore costituito dal motori a V messi in tandem a formare i cilindri contrapposti.
    • H, costituito dall'utilizzo in tandem di due motori Boxer o a cilindri contrapposti.
  • W, costituito da una coppia di motori a "V" disposti a "tandem" o da un singolo albero motore con due bielle per manovella, con i cilindri disposti su due bancate, dove i cilindri di ogni corrispettiva bancata hanno due angoli d'inclinazione diversi.
  • X, costituito da una coppia di motori a "V", che condividono lo stesso albero motore e costituito da un basamento a quattro bancate.
• Radiale, costituito da una disposizione radiale dei cilindri rispetto all'asse di rotazione dell'albero motore, inoltre si utilizza una sola manovella per tutti i cilindri, grazie l'uso di una biella, detta biella madre, ad una testa ed a più piedi.

Per approfondire, vedi Motore in linea, Motore a sogliola e Motore boxer.

Per approfondire, vedi Motore a U, Motore a V, Motore ad H, Motore a W e Motore ad X.

Rendimento dei motori termici

Il loro rendimento dipende sostanzialmente dal rapporto tra temperatura di inizio e di fine ciclo, dove i modelli stradali più efficienti non riescono ad avere un rendimento superiore allo 0,3 o 30% (il motore 2T Diesel navale Wärtsilä-Sulzer RTA96-C della Wärtsilä, ha un rendimento superiore al 0,5 o 50%), questo è dovuto dal fatto che questi motori non riescono a sfruttare il calore data la velocità delle fasi e per la loro fonte d'energia, infatti questi motori devono disperdere molto calore.

Confrontando i motori termici con i motori elettrici, che mediamente hanno un rendimento dello 0,9 o 90% e che praticamente quasi non richiedono ausili per il raffreddamento, ci si può accorgere che questo tipo di tecnologia (termica) non sia il massimo, anche se ha l'enorme vantaggio di poter immagazzinare con un serbatoio di dimensioni contenute, una quantità molto elevata d'energia (combustibile), mentre per i motori elettrici, i loro serbatoi (batterie) sono molto limitati nella capacità d'immagazzinamento, questo ha sancito il successo dei motori termici.

Il futuro dei motori termici

Con l'esaurimento delle riserve petrolifere i motori termici sono destinati ad essere abbandonati oppure ad essere utilizzati in modo marginale con combustibili alternativi che dovranno essere economici da produrre, a basso impatto ambientale e disponibili in quantità sufficiente per soddisfare le richieste del mercato mondiale. L'idrogeno è ecologico e inesauribile (è un vettore di energia ed è possibile ricavarlo dall'acqua) ma con le tecnologie attuali non è possibile produrlo e stoccarlo in quantità elevate a costi convenienti e in modo pulito. Le varietà di biocarburante disponibili oggi sono meno inquinanti della benzina e sono rinnovabili ma spesso non convengono dal punto di vista della resa energetica, ovvero sono più i costi e l'energia impiegati per produrli che il guadagno che si ottiene dal loro utilizzo.

Veicolo ibrido

Per approfondire, vedi Veicolo ibrido.

Dal 2000 si sta cercando d'accompagnare il motore termico, con il motore elettrico, utilizzando nuove tecnologie d'immagazzinamento dell'energia elettrica e soprattutto per via delle normative anti-inquinamento sempre più restrittive.

Motore ad iniezione d'acqua

Per approfondire, vedi Motore ad iniezione d'acqua.

Tale motore riesce ad aumentare la pressione generata dalla combustione, grazie all'uso dell'acqua, che permette al motore di funzionare come una specie di motore a vapore a ridurre drasticamente le temperature d'esercizio, i gas inquinanti e i consumi.

Motore con Turbosteamer

Per approfondire, vedi Turbosteamer.

Tale soluzione permette di recuperare parte del calore disperso nello scarico per poter azionare una turbina che lavora assieme al motore.

Voci correlate

• Termodinamica
• Macchina termica
• Ciclo termodinamico
• Rendimento termico
• Rendimento meccanico
• Motore a combustione interna
• Motore a combustione esterna
• Combustione dolce

Collegamenti esterni

• Gazzetta dello sport: confronto tra un motore Twin pulse e un motore a scoppi regolari.
• Articolo sul rendimento energetico dei motori endotermici 4T.

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Portale Termodinamica