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Tecnica : I segreti del motore a scoppio

 

Organi meccanici costitutivi e definizioni base

 
 

Un motore a scoppio (ma più correttamente andrebbe chiamato "motore a combustione interna" o "motore alternativo endotermico") è essenzialmente composto da 3 organi meccanici in movimento :

Il pistone
E' un oggetto di forma generalmente cilindrica, che scorre dentro un'altro (il Cilindro), ed il suo movimento è quello di andare su e giù.

L'albero a gomiti
Ha la duplice funzione di trasformare il moto alternativo (in su e giù) del pistone in quello rotatorio e di portare il moto verso il cambio e poi alle ruote .

La biella
E' un'organo di collegamento che permette di unire il pistone con l'albero a gomiti e di trasmettere le forze.

In pratica questi tre organi meccanici hanno lo scopo di trasformare un moto rettilineo alternato (quello del pistone) in un moto rotatorio (quello dell'albero) per sfruttare l'energia dovuta allo scoppio della benzina e per fare un'altra serie di funzioni che vedremo in seguito.

 
 

 
 

Esistono poi altri importanti componenti :

Cilindro : La parte in cui scorre il pistone. Praticamente un grosso Foro.

Testa : E' la parte superiore che chiude il cilindro.

Camera di scoppio o di combustione : E' la parte superiore del cilindro cioè lo spazio che rimane tra la testa ed il pistone quando questo è nella posizione più elevata. E' la zona in cui avviene la combustione della benzina e dell'aria.

Carter o Basamento : E' generalmente la struttura che circonda e sostiene tutti gli altri organi meccanici e che comprende i cilindri.

Cielo del pistone : E' la parte superiore del pistone, quella a arriva a sfiorare la testa e sulla cui superficie avviene la combustione.

Fasce : Sono delle guarnizioni che garantiscono la tenuta dei gas, e limitano l'usura tra pistone e cilindro.

Bilanciere : E' una massa che fa parte dell'albero che ha lo scopo di equilibrare il motore,  cioè di ridurre le vibrazioni.

E' necessario dare qualche nome alle dimensioni caratteristiche di un motore.

(D) Alesaggio: Il diametro del pistone

(C) Corsa : Lo spostamento verticale che compie il pistone nel suo movimento. E' anche il doppio della distanza tra dove è collegata la biella all'albero e l'asse di rotazione dell'albero stesso.

(S) Sezione del cilindro : é l'area della sezione del cilindro, cioè l'area del cerchio che ha per diametro l'alesaggio. Infatti si ha che S = p D2

(V) Cilindrata : Il volume spazzato dal pistone nel suo movimento. E' semplicemente la sezione del cilindro per la corsa [ ].

(Pms) Punto morto superiore : E' la poszione più alto che raggiunge il pistone nel suo moto (la biella è perfettamente verticale e il pistone è fermo e sfiora la testa)

(Pmi) Punto morto inferiore : E' il punto più basso che raggiunge il pistone nel suo moto (la biella è perfettamente verticale e il pistone è fermo)

(r) Rappoto di compressione : E' il rapporto tra il volume della camara di scoppio e quello della cilindrata , diviso per la cilindrata. r = ( Vc + V ) / V

(RPM) Numero di giri al minuto : E' la velocità di rotazione dell'albero motore.

(Z) Numero di cilindri : Va da 1 (monocilindrico) a più di 12 (pluricilindrici)

Un paio di definizioni :

Quadri [ C=D ] : Si chiamano così quei motori che hanno la corsa e l'alesaggio uguali.

Super quadri [ D>C ] : Quei motori in cui l'alesaggio è più lungo della corsa .

A corsa lunga [ C>D ] : Quei motori con la corsa maggiore dell'alesaggio  .

Rapporto corsa alesaggio [ C/D ] : Se è minore di 1 significa che il motore è super quadro, se uguale a 1 che è quadro e se maggiore di 1 che è a corsa lunga.

 

Animazione : Cinematismo del motore
Hi-res : 1.32 Mb   ,   Low-res : 0.58 Mb

 

Il filmato è nel formato DivX, leggi qui come vederlo.
 

 

 

I motori di cui parleremo sono i 4Tempi, che oltre agli organi meccanici precedentemente descritti, hanno un'ulteriore serie di organi meccanici che svolgono compiti ausiliari, ma indispensabili al funzionamento del motore stesso.

In estrema sintesi, il motore a scoppio funziona perché la benzina, si mischia con l'aria ambiente che fornisce l'ossigeno necessario alla combustione, entra nel cilindro, scoppia, cioè brucia violentemente e fornisce la pressione necessaria a spingere il pistone, il quale porta in rotazione l'albero a gomiti, e da questo, per mezzo di vari organi meccanici, come cambio e trasmissione, la potenza arriva alle gomme e il veicolo avanza. Ovviamente queste fasi avvengono grazie a precisi organi meccanici che svolgono precisi compiti. Nella camera di scoppio, avvengono, le seguenti operazioni : aspirazione, compressione scoppio e scarico.

 
 

Condotto d' Aspirazione :
E' il condotto da cui entra la carica fresca, cioè la miscela di aria e benzina ancora non bruciata. Infatti a monte della camera di scoppio esiste un dispositivo che succhia la benzina dal serbatoio e l'aria dall'ambiente esterno e li miscela in parti ben definite. Questo dispositivo può essere un carburatore o un sistema di iniezione.

Valvola d'Aspirazione :
La miscela d'aria e benzina deve entrare nella camera di combustione solo nel momento giusto e per un periodo di tempo prestabilito. Per questo esiste una valvola, che apre e chiude, il condotto d'aspirazione regolando, quindi, come un rubinetto il flusso della miscela. Nei motori a 4Tempi, vengono usate usualmente valvole a fungo, chiamate così per via della sua caratteristica forma. Le valvole sono comandate dall'albero a camme.

Albero a camme di aspirazione :

E' un' albero parallelo a quello a gomiti, normalmente posto sopra la camera di scoppio (come in schema), che prende la rotazione dall'albero motore stesso, e gira solidale con esso. Su questo albero sono ricavate le camme, cioè dei profili eccentrici che girando spingono il piattello della valvola su e giù , secondo una precisa regola che dipende dalla forma stessa della camma . Poiché le camme sono legate all'albero motore è ovvio che se il motore sale di giri anche l'albero a camme sale di giri e così anche la valvola d'aspirazione apre e chiude il condotto più velocemente. In questo modo tutto funziona a qualsiasi regime di rotazione , perché ogni operazione accelera o decelera con il motore stesso.


Condotto di scarico :

E' equivalente a quello di aspirazione , ma a differenza di questo serve ad espellere i fumi di scarico , cioè quello che rimane dalla combustione della miscela bruciata, e conduce fino alla marmitta.


Valvola di scarico :
E' equivalente a quella di aspirazione, solo che regola l'apertura e la chiusura del condotto di scarico.

Albero a camme di scarico :
E' equivalente a quello di aspirazione, solo che imprime alla valvola di scarico, dei tempi di apertura diversi da quelli di aspirazione.

Candela :
I motori a scoppio , che vanno a benzina si chiamano anche ad accensione comandata  perchè l'esplosione del carburante è dovuto ad una scintilla, che si innesca perchè della corrente passa nello spazio tra due elettrodi. L'organo che regola lo scoppio e che genera la scintilla è la candela, che normalmente è unica e posta verticale al centro della camera di scoppio. La quantità di corrente e il momento della scintilla è regolato da organi meccanici o elettronici che prendono il movimento dallo stesso motore , garantendo anche in questo caso, il sincronismo tra la velocità di rotazione del motore e l'accensione.


Candela
 


L'importanza del processo di alimentazione e scarico è evidente considerando il fatto che la potenza che si riesce a generare risulta limitata dalla rapidità con la quale il motore riesce ad aspirare la miscela ed ad espellere i gas combusti , dopo averne fruttato la massima energia possibile.

 
 

La testa e la camera di combustione :

La testa è uno delle parti più importante per un propulsore, sulla quale più si lavora in fase di progetto. Infatti, la maggior parte delle azioni che avvengono in un motore e dalle quali dipendono le prestazioni, si sviluppano proprio nella camera di combustione. Quindi la sua geometria può migliorare sensibilmente le prestazioni e dare caratteristiche specifiche al propulsore.  Infatti sulla testa, da una parte ci sono tutti gli organi atti alla distribuzione, cioè tutti quegli organi che servono a far entrare ed uscire il carburante, i gas freschi e quelli combusti, mentre dall'altra la zona che rimane libera quando il pistone è al pms, cioè la camera di combustione, la quale condiziona in modo molto significativo la combustione e quindi la capacità di generare la potenza che serve a spingere il veicolo. In particolare il disegno della camera di combustione deve porsi come obbiettivo quello di ottenere un veloce processo di combustione, un elevato riempimento di carburante e minimizzare le perdite di calore attraverso le pareti.
Ovviamente nella storia dei motori a scoppio, i progettisti si sono sbizzarriti, producendo teste delle forme e delle geometrie estremamente varie, anche se oggi per vari motivi, i tipi di testa più diffusi, per i motori a benzina, sono sostanzialmente quattro. E' riportato di seguito lo schema delle quattro teste più diffuse e di un'altra serie di teste delle forme molto curiose.
 


a) EMISFERICA
: Offre buoni riempimenti ed elevate prestazioni;
b) A CUNEO o TRIANGOLARE : Limita l'effetto della detonazione e produce molta turbolenza, cosa che favorisce la velocità di combustione;
c) A TAZZA : Camera molto compatta, bassi consumi e basse emissioni inquinanti;
d) A TETTO : Con quattro valvole, permette di ottenere alte potenze specifiche e resistenza alla detonazione.

 
 

I pluricilindri:

I motori reali sono nella maggior parte dei casi composti da un numero di cilindri superiori a uno. Le piccole utilitarie di solito hanno 4 cilindri in linea, mentre le vetture più raffinate hanno 8, 10 o 12 cilindri. Non esiste un limite teorico al numero massimo di cilindri che si possono accoppiare per fare un motore, ma la storia testimonia che è difficile e inutile superare i 16.


Albero di un 6 cilindri in linea
 


Le configurazioni con cui accoppiare i vari cilindri sono le più varie.  La più semplice è quella dei motori "in linea" (a), in cui l'albero a gomiti è comune a tutti i cilindri, e i vari pistoni, bielle, teste sono disposti l'uno accanto all'altro. Già più complessi ma ugualmente diffusi sono i motori a "
V" (c), in cui c'è sempre un solo albero ma i pistoni oltre ad essere accanto all'altro sono su due file distinte ed inclinate di un certo angolo (spesso 90 o 60). Esistono poi altri tipi di motori, molto meno diffusi, i cui schemi si vedono in figura. Tra questi ricordo in particolare il Boxter (f) e i motori stellari (m) impiegati specialmente agli albori dell'aviazione (ad esempio il barone rosso nella seconda guerra mondiale)
 


Varie configurazioni di motori pluricilindrici

 

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