Motore a combustione interna

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Modello del motore Barsanti-Matteucci all'osservatorio Ximeniano di Firenze

Il motore a combustione interna (MCI) è definito come macchina motrice endo-termica che permette di convertire l'energia chimica, posseduta da una miscela aria-combustibile (benzina-diesel-cherosene-gpl-metano), in lavoro meccanico reso disponibile all'albero motore ed in generale al sistema di trasmissione. La conversione avviene nella camera di combustione, dove i gas combusti generano alta pressione ed aumento di volume tale che spingono il pistone verso il basso, e a sua volta, quest'ultimo fa ruotare l'albero motore. La miscela consiste in un combustibile, che può essere benzina, gasolio, GPL o altri derivati del petrolio, mentre l’ossigeno dell’aria funziona come comburente. Il tipo di combustibile determina le caratteristiche del motore e quindi la sua applicazione nei vari ambiti.

Storia[modifica | modifica wikitesto]

Diagramma di un motore a pistoni

L'invenzione è ricondotta a Eugenio Barsanti e a Felice Matteucci, che già nel 1853 ne dettagliarono il funzionamento e la costruzione in documenti e brevetti depositati in diversi paesi europei quali: Gran Bretagna, Francia, Italia e Germania[1].

Nei primi protòtipi mancava la fase di compressione, ovvero la fase di aspirazione terminava precocemente con la chiusura della valvola di aspirazione prima che il pistone raggiungesse metà corsa, al che scoccava la scintilla e la combustione spingeva il pistone per la restante corsa, approfittando poi della depressione per farlo risalire. Come si può dedurre, questo ciclo era davvero poco efficiente. A rendere il motore a combustione interna efficiente fu l'introduzione della fase di compressione.

Le prime applicazioni pratiche dei motori a combustione interna furono come motori marini fuoribordo. Questo perché il principale impedimento all'applicazione pratica del motore a combustione interna in veicoli terrestri era il fatto che, a differenza del motore a vapore, non poteva partire da fermo. I motori marini non risentono di questo problema, essendo le eliche esenti da un rilevante momento di inerzia. Dopo anni di sperimentazioni, solo nel 1899 apparvero delle vere frizioni in grado di far partire un veicolo terrestre da fermo senza doverlo spingere manualmente: ciò diede l'effettivo impulso allo sviluppo dell'automobile.

Classificazione[modifica | modifica wikitesto]

Sezione di un motore Wankel

La classe dei motori a combustione interna comprende una grande varietà di tipologie diverse. In particolare:

I motori alternativi si suddividono in base al tipo di ciclo termodinamico in:

oppure in base a come viene frazionato il ciclo sul moto alterno in motori

Il motore volumetrico alternativo a quattro tempi è la tipologia di motore che fornisce l'energia meccanica a quasi tutti i mezzi di trasporto su gomma, alle barche a motore (escluso le navi che utilizzano quello a due tempi sovralimentato) e ad alcuni treni. Viene usato anche su piccoli aerei ad elica e per produrre energia elettrica a bassa tensione.

Principi di funzionamento[modifica | modifica wikitesto]

Motore endotermico ad accensione comandata, con tutti i sistemi in vista

Tutti i motori a combustione interna si basano sulla reazione esotermica della combustione: la reazione di un carburante con un comburente, normalmente aria. Vedi anche stechiometria.

I motori a combustione interna sono costituiti da diversi sistemi (impianti) che ne permettono il funzionamento, quali:

I carburanti più utilizzati oggi sono composti da idrocarburi e sono derivati dal petrolio. I più noti sono benzina, gasolio, metano e GPL. Recentemente sono stati sviluppati prototipi che possono utilizzare anche idrogeno (sia gassoso, sia liquido). La maggior parte dei motori a combustione interna progettati per funzionare a benzina possono bruciare anche metano o GPL senza modifiche a parte quelle necessarie per l'impianto di alimentazione.

I motori a combustione interna vengono classificati in base al sistema di accensione utilizzato per provocare la combustione in:

  • motori ad accensione comandata: nei motori ad accensione comandata di solito l'accensione viene comandata attraverso una scintilla ad alta tensione che scocca nella miscela aria-combustibile all'interno del cilindro. La scintilla viene prodotta attraverso un impianto d'accensione. Inoltre per l'avvio del motore in condizioni di temperatura esterna e del motore stesso relativamente basse, si utilizza un sistema che serve a garantire un avvio più facile, chiamato starter.
  • motori ad accensione spontanea: nei motori ad accensione spontanea (detti anche motori Diesel) il combustibile viene iniettato nell'aria compressa nei cilindri del motore e la combustione si innesca a causa delle condizioni di pressione e di temperatura dell'aria stessa.

L'energia dei prodotti di combustione, i gas combusti, è superiore all'energia originale dell'aria e del carburante (che avevano una maggiore energia chimica) e si manifesta attraverso un'elevata temperatura e pressione che vengono trasformate in lavoro meccanico dal motore. Nei motori alternativi, è la pressione dei gas combusti a spingere i pistoni all'interno dei cilindri del motore.

Recuperata l'energia, i gas combusti vengono eliminati (spesso attraverso una valvola di scarico) talvolta dopo essere passati attraverso una turbina a gas che recupera una piccola quantità di energia, comunque sufficiente a comprimere l'aria comburente. Al termine di questa fase il pistone torna nella posizione di punto morto superiore. Tutto il calore non trasformato in lavoro deve essere eliminato dal motore attraverso un sistema di raffreddamento ad aria o a liquido.

Potenza[modifica | modifica wikitesto]

Spaccato di un turbogetto General Electric J85-GE-17A

La potenza effettiva o potenza meccanica di un motore è la potenza disponibile sull'albero motore considerate tutte le dispersioni. Una delle sue formule è la potenza «per via termica» esprimibile con la formula:

P_{eff} = \rho_a \, \frac{V K^*}{\lambda} \, \lambda_v \, \eta_{cc} \, \eta_{th} \, \eta_i \, \eta_m \, \frac{n}{{\tau \over 2}}

Dove le variabili della formula rappresentano:

\rho_a è la densità dell'aria, circa pari, ma sempre inferiore a quella atmosferica nei motori aspirati, più elevata nei motori sovralimentati (generalmente del 20-30%)
V è la cilindrata
K^* è la tonalità termica
\lambda è l'indice d'aria (maggiore di uno per miscele magre, inferiore per miscele grasse)
\lambda_v a volte anche detto \eta_v è il coefficiente di riempimento.
\eta_{cc} è il rendimento in camera di combustione
\eta_{th} è il rendimento ideale
\eta_i è il rendimento indicato
\eta_m è il rendimento meccanico
n è il numero di giri al secondo dell'albero motore
\tau è il numero di tempi del motore (quattro, due)

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ Storia del motore a combustione interna

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]

Altri progetti[modifica | modifica wikitesto]

Collegamenti esterni[modifica | modifica wikitesto]