Motore a combustione interna

Sezione di un motore Wankel

Il motore a combustione interna o motore endotermico è un particolare motore termico nel quale avviene la combustione di una miscela composta da un carburante (benzina) o un combustibile (gasolio, metano, GPL, cherosene ...) e un comburente (aria) all'interno di una camera di combustione, i quali vengono immessi tramite un impianto d'alimentazione. Il calore prodotto è trasformato in lavoro meccanico, mentre il prodotto della combustione è espulso attraverso un impianto di scarico.

Storia

Francobollo del 2003 che celebra il 150º anniversario dell'invenzione del motore a combustione interna

L'invenzione può essere ricondotta al padre (ecclesiastico) 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.

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

Vista completa di un propulsore a combustione interna, ad eccezione del sistema d'accensione

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

• motori volumetrici (il fluido motore viene elaborato con cadenza periodica all'interno di un volume ben definito e generato ciclicamente dal moto di alcuni organi meccanici)
  • motori a movimento alternativo, in cui il moto alternativo dei pistoni viene trasformato in un moto rotatorio attraverso un manovellismo di spinta rotativa
  • motori a movimento rotativo, dove il pistone o rotore non ha un movimento alternato, ma rotatorio più o meno costante a seconda del tipo di motore.
• motori continui (il fluido motore viene elaborato in maniera continua in una zona particolare del motore a volume non variabile; quest'ultimo tipo di motore si configura quindi come un sistema meccanico energetico in deflusso)
  • turbina a gas
  • motore a reazione
    • esoreattore
    • endoreattore (anche detto motore a razzo)

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

• motore ad accensione comandata (impropriamente definito motore a scoppio, vedi anche ciclo Otto)
• motore ad accensione spontanea (vedi anche ciclo Diesel)

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

• motore a due tempi
• Motore ibrido a due/quattro tempi
• motore a quattro tempi
• motore a sei tempi

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

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:

• Impianto d'accensione, questo sistema è presente solo sui motori ad accensione comandata e permette l'inizio della combustione
• Impianto d'alimentazione
• Impianto d'avviamento
• Impianto di raffreddamento
• Impianto di scarico

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

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)

Voci correlate

• Carl Benz
• Bertha Benz Memorial Route
• Gottlieb Daimler
• Motore a combustione esterna
• Pressione media effettiva (pme)
• Motore termico
• Sistema ad iniezione d'acqua
• Eugenio Barsanti
• Felice Matteucci

Collegamenti esterni

• Realizzazione di un motore endotermico (due tempi da competizione) 1/3 su YouTube. Filmato visto il 19-01-2012.
• Realizzazione di un motore endotermico (due tempi da competizione) 2/3 su YouTube. Filmato visto il 19-01-2012.
• Realizzazione di un motore endotermico (due tempi da competizione) 3/3 su YouTube. Filmato visto il 19-01-2012.

Altri progetti

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