Motori a scoppio

Cos’è il motore a scoppio Il motore a scoppio è un dispositivo in grado di trasformare l’Energia Termica (della benzina, del diesel o del metano)in Energia Meccanica. Date le sue ridotte dimensioni, la sua leggerezza e versatilità viene impiegato soprattutto nei mezzi di trasporto su strada. *Un motore a scoppio monocilindrico

Il motore sfrutta i Fluidi di Lavoro, cioè sostanze liquide o gassose dotate di forza di spinta (E. cinetica) che fanno funzionare i motori. Possono essere fluidi naturali, cioè già “pronti” nell’ambiente, come il vento e l’acqua corrente del fiume, oppure possono essere creati dall’uomo, come l’acqua in pressione che esce dalle condotte forzate, il vapore in pressione prodotto da una caldaia o i gas surriscaldati prodotti da un motore a scoppio.

Gli elementi principali del motore Motore 4 tempi: valvola di scarico candela* valvola di aspirazione camera di scoppio (combustione per Diesel) pistone biella carter *Nel motore diesel non esiste una candela ma c’è un iniettore che spruzza gasolio polverizzato dentro la camera di scoppio,la combustione-espansione avviene lo stesso perché il combustibile si incendia spontaneamente grazie al calore provocato dall’aria compressa.

Motore 2 tempi: camera di scoppio luce di scarico pistone candela luce di scarico pistone luce di aspirazione luce laterale biella albero motore carter

Un po’ di storia… Agli inizi del Settecento Thomas Newcomen costruì il primo motore termico ad avere successo, impiegato allora per prosciugare l’acqua delle miniere. Nella macchina dell’inventore il calore era prodotto fuori dal cilindro, l’acqua all’interno di una caldaia diventava vapore e dopo essersi espansa finiva dentro un cilindro, dove sollevava un pistone, dopo di che veniva spruzzata acqua fredda all’interno del cilindro che condensava il vapore, facendolo ritornare allo stato liquido e facendo così ricadere il pistone, dopo di che il circolo ricominciava… Nel 1765 James Watt perfezionò la macchina di Newcomen grazie soprattutto alla biella-manovella che trasformò il moto rettilineo in moto rotatorio. *La macchina di Newcomen

La macchina di Newcomen

La macchina a vapore di J. Wiatt

Benzina e Diesel Diesel Benzina Nel 1862 Nikolaus August Otto, ottenne il brevetto per il primo motore a Benzina della storia. Trent’anni dopo Rudolf Diesel invento il motore Diesel o a Gasolio. Ancora oggi questi due tipi di motore sono i più diffusi per il trasporto privato,ma quali sono le differenze? Diesel Benzina Vantaggi: maggior erogazione di cavalli e coppia,ridotto costo di produzione e ridotta rumorosità. Svantaggi: prezzo elevato di carburante e manutenzione, più difficoltà di guida per i principianti. Vantaggi: ridotta spesa per il carburante e per la manutenzione e facilità di guida per piloti inesperti. elevata rumorosità. Svantaggi: costi di produzione elevati. *Nikolaus August Otto *Rudolf Diesel

Il 4 tempi benzina Il motore Benzina a 4 tempi si basa sull’ esplosione all’interno di una camera di scoppio di una miscela aria-benzina. 1°fase (aspirazione, il pistone scende): tramite un valvola di aspirazione(aperta) la miscela viene immessa nella camera di combustione. 2°fase (compressione, il pistone sale): la miscela viene compressa e si riscalda. 3°fase (scoppio-espansione, il pistone scende): la candela tramite una scintilla elettrica incendia l’aria-benzina compressa facendola espandere facendo così scendere il pistone. 4°fase (scarico, il pistone sale): la valvola di scarico si apre facendo uscire i gas combusti.

Funzionamento pratico: La combustione avviene internamente. Il motore endotermico è la macchina termica più diffusa e versatile mai creata dall’uomo. Il motore endotermico è alimentato da una miscela di aria e benzina, che viene trasformata in lavoro meccanico mediante il processo di combustione, che produce calore e pressione.

L’ animazione a lato mostra dettagliatamente come si compie un ciclo in un motore a quattro tempi, che avviene mediante quattro corse del pistone (due ascendenti e due discendenti) necessarie a svolgere le sei fasi che compongono il ciclo stesso. Il filmato evidenzia il movimento degli alberi a camme posti alle estremità superiori, il cui compito è di “spingere” verso il basso le valvole per aprire le luci di aspirazione e scarico, e permettere così alla miscela fresca di entrare in camera di scoppio e ai gas combusti di uscire attraverso l’impianto di scarico. Il movimento di ritorno delle valvole è dato da meccanismi pneumatici o meccanici (come il sistema Desmodromico impiegato da Ducati). Albero a camme Richiamo valvole Desmodromico

Il filmato a lato mostra in modo dettagliato ciò che avviene a livello di camera di combustione durante un ciclo completo di funzionamento. Qui sopra è stato riportato il cinematismo della distribuzione (albero a camme e valvole) in un motore a quattro cilindri. In verde sono evidenziate le camme, il cui profilo incide sensibilmente sul carattere e sulle prestazioni di un motore.

Il 4 tempi Diesel La trasformazione tra energia chimica ed energia meccanica all’interno di un motore Diesel a 4 tempi avviene dentro ad una camera di combustione dove viene combusto del gasolio polverizzato. 1°fase (aspirazione, il pistone scende): tramite un valvola di aspirazione(aperta)dell’aria viene immessa nella camera di combustione. 2°fase (compressione,il pistone sale): l’aria viene compressa e si riscalda. 3°fase(combustione-espansione,il pistone scende):l’iniettore spruzza Diesel polverizzato all’interno della camera di combustione,dove il quale viene autonomamente incendiato,facendo così espandere la miscela che spinge verso il basso il pistone. 4°fase (scarico,il pistone sale): la valvola di scarico si apre facendo uscire i gas combusti

Il motore a 2 tempi Il motore a due tempi risulta più semplice rispetto ai successivi,è infatti impiegato per motocicli,scooter, falciatrici…e solo in passato per il motore delle automobili. infatti l’apertura e la chiusura delle varie aperture (luci) non è regolata da valvole ma dal pistone stesso. *Un tagliaerba con motore a 2 tempi

Funzionamento del motore a 2 tempi 1°tempo (scoppio, scarico, discesa del pistone): il pistone dopo essere stato respinto dall’espansione dello scoppio viene rimandato giù e dalla luce di scarico escono i gas combusti. 2°tempo (alimentazione, compressione, salita del pistone): il pistone sale facendo entrare nuova miscela e comprimendola in attesa del nuovo scoppio. La luce laterale si dimostra quindi indispensabile per il passaggio della nuova miscela.

La disposizione dei cilindri Le quattro disposizioni dei cilindri più comuni sono: a W: su alcune super,ma soprattutto hipercar. Questo è un motore ad altissime prestazioni e di difficilissima costruzione in cui si affiancano 2 motori a V per ottenere un unico potentissimo motore. ad H: questo è un motore che può avere varie applicazioni ma principalmente viene utilizzato in veicoli dove lo spazio per il blocco è poco ma dove comunque si vogliano ottenere buone prestazioni. a V: alcuni suv, pick-up, berline più lussuose, molte sportive e supercar, adoperano la disposizione a V che garantisce elevati cavalli e in di coppia a scapito dei consumi e della difficoltà di fabbricazione. in LINEA: per le utilitarie, per i SUV, pick-up,per le familiari e per alcune berline, perché economici per la realizzazione e relativamente di basso consumo.

Petrolio e combustibili Con il termine “petrolio” si designa un insieme di idrocarburi più o meno complessi che si trovano sotto forma gassosa (molecole da 1 a 5 atomi di carbonio), liquida (molecole da 6 a 16 atomi di carbonio) o solida (più di 16 atomi di carbonio). Il petrolio da commercio è liquido poiché le fasi solida e gassosa rimangono in soluzione. Il nome deriva da Petroleum (olio di pietra), utilizzato per la prima volta intorno al 1550 dal tedesco Giorgio Agricola. Il petrolio greggio (non ancora raffinato) si presenta come un liquido oleoso, infiammabile, di colore variabile dal giallastro al nero e dotato di attività ottica. La composizione del petrolio varia in base al rapporto dei principali costituenti (paraffine, nafteni, sostanze aromatiche, bitume),si possono così trovare petroli paraffinici, naftalenici, misti ed arenici. La formazione del petrolio è dovuta alla decomposizione di sostanze organiche, provenienti da organismi acquatici del regno animale e del regno vegetale (microrganismi, alghe ecc.), a opera di batteri aerobi e soprattutto anaerobi, cioè in ambiente privo di ossigeno. Il trattamento base è la distillazione frazionata, con cui il petrolio viene suddiviso in un numero considerevole di frazioni caratterizzate ciascuna da un intervallo (crescente) di temperatura di ebollizione. Oltre alla frazione gassosa, si hanno: oli minerali leggeri, oli medi, oli pesanti, residui solidi.

Destinazioni dei principali prodotti ricavati dal petrolio Solo le frazioni pesanti e i residui possono essere immessi sul mercato direttamente. Gli oli leggeri, sottoposti a una seconda distillazione, possono essere oggetto di tre trattamenti: stabilizzazione, reforming, raffinazione. La stabilizzazione dà gas utilizzabili nei bruciatori delle raffinerie o per ottenere benzine in seguito al processo di polimerizzazione. Il reforming è un processo simile al cracking, che serve a diminuire il potere detonante delle benzine. La raffinazione ha lo scopo di eliminare dalle benzine le impurità. In generale, un procedimento di eccezionale importanza nella lavorazione del petrolio è il cracking, con cui è possibile ottenere prodotti leggeri (benzine nella quasi totalità) dalle frazioni pesanti e dai residui. Un altro processo è costituito dalla polimerizzazione catalitica.

Raffinazione del petrolio Nonostante i potere calorifico del petrolio si molto alto, la diversità delle molecole che lo compongono e la loro varia struttura non ne permettono una proficua utilizzazione come combustibile diretto. La raffinazione del petrolio ha lo scopo di raccogliere separatamente le molecole dello stesso tipo e dello stesso peso in modo da ottenere frazioni uniformi. Avviene tramite il processo di distillazione frazionata. Schema della raffinazione del petrolio

Il petrolio grezzo viene immesso per mezzo di tubi di acciaio in un riscaldatore, dove la temperatura oscilla tra i 315 e i 370 °C. I vapori di petrolio vengono poi iniettati nella colonna di frazionamento, o torre a piatti. Nella colonna di frazionamento i gas, passando attraverso una serie di piatti forati, salgono verso l'alto, raffreddandosi. Alle diverse temperature si condensano, ritornando allo stato liquido. Ricadendo si depositano sui piatti, dando così luogo alla separazione delle diverse frazioni di idrocarburi. Nel punto più basso della colonna si condensano oli combustibili, lubrificanti, paraffine, cere e bitumi, tra i 350° e i 250° C si condensa il gasolio, utilizzato come combustibile per motori diesel e per il riscaldamento domestico. Tra 250° e 160° C il kerosene, un combustibile oleoso usato come propellente per aerei a reazione e impianti di riscaldamento. Tra i 160° e i 70 ° C condensa la nafta, una sostanza liquida usata come combustibile e, come materia prima, per produrre materie plastiche, farmaci, pesticidi, fertilizzanti. Le benzine condensano tra i 70° e i 20° C. Sono usate, principalmente, come carburante per automobili ed aerei. A 20° C, rimangono gassosi metano, etano, propano e butano. In particolare, butano e propano, formano il combustibile denominato GPL.

In una raffineria, oltre alla distillazione frazionata, si svolgono altri processi, per ricavare ulteriori quantità di prodotti pregiati o per migliorare la qualità dei prodotti ed adeguarli alle richieste del mercato. Ad esempio, in impianti, denominati di "Cracking", è possibile spezzare le catene idrocarburiche più lunghe. Questo procedimento permette di trasformare prodotti poco pregiati in benzine e gasoli. Attraverso il "Reforming catalitico", viene aumentato il numero di ottani nelle benzine, con la "Desolforazione" si riduce quasi totalmente il contenuto di zolfo nei gasoli.

Cracking e reforming Il cracking, o decomposizione termica, è un processo che da lunghe molecole inutilizzabili conduce a molecole corte, più adatte per essere utilizzate nei motori. Il processo di rottura (cracking, appunto) viene condotto ad alta temperatura (450-550°C) e a forte pressione; per ottenere molecole che presentino un numero di atomi di carbonio ben definito si impiegano catalizzatori che dirigono la reazione nel senso desiderato (cracking catalitico). I materiali catalizzanti sono argille naturali o sintetiche. Per evitare la formazione di residui carboniosi si pratica contemporaneamente un’idrogenazione. Il cracking catalitico permette di migliorare la qualità del prodotto e di operare a temperature e pressioni ridotte. Possiamo considerare il cracking come il trattamento chiave nella raffinazione delle benzine. La foto rappresenta l’area di una raffineria dove viene praticato il Cracking catalitico.