Il motore a combustione interna e l'autocarro

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Categoria:Tecnologia

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Testo

Dall’ esperienza della conoscenza dell’anatomia umana possiamo trarre un efficace paragone con un mezzo motorizzato come un autocarro. Le analogie sono molteplici: la “macchina uomo” possiede uno scheletro paragonabile al telaio e alla struttura in generale dell’ autocarro; dei muscoli con la stessa funzione che ha il motore all’interno dell’autotreno e infine necessita di una fonte energetica come il veicolo. Nello specifico però l’autocarro ha specifiche caratteristiche tecniche e varie peculiarità. L’ autocarro, spesso detto genericamente camion, è un veicolo a motore adibito al trasporto su strada di merci e materiali vari. Gli autocarri più piccoli hanno in genere un telaio rigido. I mezzi di dimensioni maggiori, invece, sono spesso costituiti da una combinazione articolata di motrice e rimorchio, benché vengano prodotti anche grandi veicoli a struttura rigida. Esiste una vasta gamma di configurazioni da carico specializzate, ad esempio i portacontainer, i mezzi per trasporto veicoli e le autocisterne. Nella maggior parte dei paesi il trasporto di carichi pericolosi, come alcune sostanze chimiche o materiali facilmente infiammabili, viene regolato mediante norme speciali; inoltre è d’obbligo essere dotati di particolari segnalatori di pericolo. I mezzi più pesanti impiegano sistemi frenanti ad aria compressa e alcune combinazioni motrice-rimorchio devono disporre per legge di sistemi anti-bloccaggio. Alcuni autocarri sono equipaggiati con sistemi pneumatici di sospensione, che riducono le vibrazioni e limitano le sollecitazioni al manto stradale. A seconda del peso a pieno carico gli autocarri vengono classificati come leggeri (2,4-4,5 t), medi (4,5-8 t), medio-pesanti (8-12 t) e pesanti (oltre le 12 t). I mezzi di dimensioni maggiori richiedono un’apposita patente di giuda e sono soggetti a limitazioni di velocità, differenziate per la viabilità normale e per i percorsi autostradali, e a divieti di circolazione in particolari orari o in periodi di intenso traffico automobilistico. I primi autocarri, propulsi con motori a vapore, caddero rapidamente in disuso con lo sviluppo del motore a combustione interna. Oggi gli autocarri più grandi sono dotati, normalmente, di motori diesel a 2 o 4 tempi, e solo i mezzi più piccoli impiegano motori a benzina; motori diesel a iniezione diretta, con o senza sovralimentazione, vengono invece utilizzati per i veicoli più pesanti.
Il motore a combustione interna è un tipo di macchina in grado di trasformare in energia meccanica l’energia termica prodotta durante la combustione di una sostanza che brucia in una camera a volume variabile, facente parte integrante del motore stesso. Esistono quattro tipi principali di motore a combustione interna: i motori alternativi diesel e benzina, i motori rotativi, le turbine a gas e i motori a reazione. Il motore a benzina, detto anche motore a ciclo Otto, viene normalmente utilizzato sulle autovetture e su alcuni velivoli; il motore diesel, che funziona in base a un ciclo termodinamico differente, utilizza invece gasolio e viene usato soprattutto nella propulsione navale, per autobus e autocarri, ma è frequente anche su autovetture. Sia i motori a benzina, sia quelli diesel vengono prodotti in modelli a due e quattro tempi.
Componenti dei motori: i motori diesel e benzina hanno gli stessi componenti essenziali. La camera di combustione è costituita da un cilindro, solitamente fisso e chiuso a un’estremità, in cui si muove un pistone (o stantuffo) ad accoppiamento preciso. Il moto alterno del pistone determina una variazione di volume della camera, tra la testa del pistone stesso e l’estremità chiusa del cilindro. La faccia esterna del pistone è collegata all’albero a gomiti tramite una biella, che costituisce il meccanismo di trasmissione e di trasformazione del moto alterno in moto rotatorio. Nei motori policilindrici l’albero a gomiti presenta una parte a sbalzo – detta bottone della manovella – per ogni biella, in modo che la potenza dei singoli cilindri venga applicata all’albero a gomiti nel punto più adatto durante la rotazione. Gli alberi a gomiti sono dotati di pesanti volani e contrappesi che, grazie alla loro inerzia, riducono al minimo le irregolarità nel movimento dell’albero.Il sistema di alimentazione del combustibile è costituito da una pompa del carburante e da un dispositivo per la vaporizzazione o la polverizzazione del carburante liquido che nei motori a carburazione viene detto carburatore. Nella maggior parte dei motori pluricilindrici il carburante vaporizzato viene trasferito ai cilindri attraverso opportuni condotti d’aspirazione, e in molti motori è previsto anche un analogo collettore di scarico per l’eliminazione dei gas prodotti dalla combustione. Il carburante viene iniettato nei singoli cilindri e i gas combusti vengono aspirati attraverso valvole a sollevamento o valvole a fodero ad azionamento meccanico. Le valvole vengono normalmente mantenute chiuse da un sistema di molle elicoidali, e l’apertura viene ottenuta al momento opportuno del ciclo di funzionamento per mezzo di un albero a camme o a eccentrici, collegato tramite ingranaggi all’albero a gomiti. A partire dagli anni Novanta alcuni sistemi di iniezione più sofisticati, adottati anche sui motori diesel, hanno quasi completamente soppiantato questo metodo tradizionale di distribuzione della miscela d’aria e carburante.In tutti i motori devono essere previsti sistemi di accensione del carburante. Il sistema d’accensione dei motori a benzina comporta una sorgente d’elettricità a bassa tensione e corrente continua, collegata all’avvolgimento primario di un trasformatore detto bobina d’accensione. La corrente viene interrotta diverse volte al secondo da un interruttore automatico (timer) e le pulsazioni prodotte nell’avvolgimento primario inducono una corrente pulsante ad alta tensione nell’avvolgimento secondario. Questa corrente ad alta tensione viene portata alternativamente ai singoli cilindri tramite un commutatore rotante (distributore). Il dispositivo d’accensione vero e proprio è la candela, un conduttore isolato posto sulla parete o nella parte superiore dei cilindri. All’estremità inferiore della candela si trova un leggero traferro tra due fili, nel quale la corrente ad alta tensione innesca un arco che fa scoccare la scintilla, determinando l’accensione della miscela di carburante nel cilindro.Per via del calore prodotto durante il processo di combustione, tutti i motori devono essere dotati di sistemi di raffreddamento. Alcuni motori aerei e automobilistici, i piccoli motori stazionari e i motori fuoribordo delle imbarcazioni sono raffreddati ad aria. In questo caso le superfici esterne del cilindro hanno la forma in una serie di alette radianti ad ampia superficie adatta per disperdere il calore dal cilindro. Nei motori raffreddati ad acqua i cilindri sono circondati da una camicia d’acqua esterna; negli autoveicoli la circolazione del liquido refrigerante viene ottenuta per mezzo di una pompa e il raffreddamento è prodotto da un radiatore. Alcuni motori di autoveicoli sono dotati anche di raffreddamento ad aria; nei motori marini, invece, viene utilizzata acqua di mare come liquido refrigerante.Diversamente dai motori e dalle turbine a vapore, i motori a combustione interna non producono alcuna coppia d’avviamento, per cui devono essere previsti appositi sistemi per azionare l’albero a gomiti e dare così inizio al ciclo di funzionamento. Solitamente i motori degli autoveicoli vengono avviati per mezzo di un motorino elettrico che è collegato attraverso ingranaggi all’albero a gomiti e che viene “staccato” automaticamente una volta avviato il motore. Alcuni motori più piccoli vengono avviati manualmente tramite una manovella oppure tirando una funicella avvolta per alcuni giri attorno al volano. Tra i metodi utilizzati per l’avviamento dei motori di grandi dimensioni figurano gli starter a inerzia, costituiti da un volano che viene fatto ruotare a mano, o mediante un motorino elettrico, sino a quando l’energia cinetica non è sufficiente a far girare l’albero a gomiti, e gli starter a esplosione, che utilizzano l’esplosione di una cartuccia a salve per azionare il volano di una turbina accoppiata al motore. Gli starter a inerzia e quelli a esplosione vengono utilizzati principalmente per l’avviamento dei motori aerei. Qua sotto sono descritti i più comuni tipi di motori
Motori a benzina I motori a benzina più diffusi sono a quattro tempi; ciò significa che in un ciclo completo i pistoni compiono quattro corse, due verso la testa (chiusa) del cilindro e due in direzione opposta. Durante la prima corsa il pistone si allontana dalla testa del cilindro e la valvola d’ammissione si apre; il moto del pistone provoca l’aspirazione di una determinata quantità di miscela di aria e carburante nella camera di combustione. Durante la corsa successiva il pistone si sposta verso la testa del cilindro, comprimendo la miscela di carburante nella camera di combustione; quando il volume di quest’ultima è al minimo, al termine della corsa, la miscela di carburante viene incendiata dalla scintilla prodotta dalla candela e brucia. La combustione determina una rapida espansione del gas che esercita un’intensa pressione sul pistone, il quale si allontana dalla testa del cilindro e compie la terza corsa. Durante la corsa finale la valvola di scarico si apre e il pistone si riporta verso la testa del cilindro; i gas combusti vengono evacuati dalla camera di combustione e il cilindro è pronto per ripetere l’intero ciclo.Il rendimento dei moderni motori a benzina è limitato da numerosi fattori, tra i quali figurano le perdite dovute al raffreddamento e all’attrito. In genere il rendimento è determinato dal rapporto di compressione del motore (rapporto tra i volumi massimo e minimo della camera di combustione) che tipicamente è dell’ordine di 8 a 1, o di 10 a 1 nei motori più moderni. Sono anche possibili rapporti di compressione più elevati, sino a circa 12 a 1, con un rendimento migliore, purché vengano utilizzati carburanti a elevato numero di ottani. I rendimenti dei moderni motori a benzina si collocano tra il 20 e il 25%.
Motori diesel Dal punto di vista teorico, il ciclo diesel differisce da quello a benzina per il fatto che la combustione avviene in condizioni di volume costante anziché di pressione costante. Anche i motori diesel sono generalmente a quattro tempi, ma le varie fasi del ciclo di lavoro sono diverse da quelle che caratterizzano il ciclo Otto. Durante la prima corsa, o corsa d’aspirazione, l’aria (non il combustibile) viene aspirata nella camera di combustione attraverso una valvola d’ammissione. Nella fase successiva, o corsa di compressione, viene compressa a una piccola frazione del volume iniziale e si riscalda raggiungendo temperature superiori ai 400 °C. Il combustibile vaporizzato viene quindi iniettato nella camera di combustione dove, a causa dell’elevata temperatura, brucia istantaneamente. L’espansione dovuta alla combustione della miscela fa retrocedere il pistone che compie la terza corsa, o corsa di potenza. Durante la corsa finale, come nei motori a benzina, vengono evacuati i gas di scarico. Alcuni diesel sono dotati di sistemi d’accensione elettrica ausiliari per bruciare il combustibile all’avviamento del motore e sino a quando questo non è sufficientemente caldo.Il rendimento dei motori diesel dipende dagli stessi fattori che determinano il rendimento dei motori a benzina, ma rispetto a questi ultimi è intrinsecamente superiore, potendo superare il 40%. I diesel solitamente sono motori lenti, con velocità dell’albero a gomiti di 100-750 giri al minuto, relativamente bassa rispetto ai 2500-5000 giri dei motori a benzina tipici (motori diesel particolari, tuttavia, sono in grado di raggiungere i 2000 giri). Poiché utilizzano rapporti di compressione di 14 a 1 e oltre, i diesel sono più pesanti rispetto ai motori a benzina, ma questo svantaggio è compensato dal migliore rendimento e dal fatto che utilizzano olio combustibile, molto meno costoso della benzina.
Motori a due tempi Nei motori a due tempi le fasi di ammissione e di scarico vengono ridotte a una piccola frazione delle corse di compressione e di espansione. Nei tipi più semplici, al posto delle valvole a sollevamento si trovano valvole a fodero o aperture nella parete del cilindro, che non vengono chiuse dal pistone al termine della corsa di espansione. La miscela di carburante viene introdotta attraverso la luce d’ammissione quando il pistone si trova nella posizione più distante dal cilindro, quindi viene compressa (corsa di compressione) e infine incendiata quando il pistone si trova a fine corsa. Durante la corsa di potenza, il pistone si abbassa scoprendo la luce di scarico e consentendo l’evacuazione dei gas dalla camera di combustione.
Motori rotativi Negli anni Cinquanta l’inventore tedesco Felix Wankel ideò un motore a combustione interna radicalmente nuovo, in cui il pistone e il cilindro venivano sostituiti da un rotore a tre lobi rotante in una camera pressoché ovale. La miscela carburante-aria viene aspirata attraverso una luce d’ammissione e intrappolata tra una faccia del rotore in rotazione e la parete della camera ovale. Il rotore comprime la miscela, e l’accensione viene ottenuta per mezzo di una candela. I gas combusti vengono quindi espulsi attraverso una luce di scarico per effetto della rotazione. Il ciclo si ripete alternativamente in corrispondenza di ognuna delle facce del rotore, producendo così tre corse di potenza a ogni rotazione. Le dimensioni compatte del motore di Wankel e il conseguente minor peso rispetto ai motori a pistone sembrarono dare grande importanza a questo progetto, in particolare con la crescita dei prezzi del petrolio che caratterizzò gli anni Settanta e Ottanta. I motori Wankel inoltre sono praticamente privi di vibrazioni, la loro semplicità meccanica comporta bassi costi di produzione, i requisiti di raffreddamento sono limitati e il centro di gravità ribassato contribuisce alla sicurezza di funzionamento. Nonostante questi vantaggi, la produzione di questi motori, iniziata in Giappone e negli Stati Uniti agli inizi degli anni Settanta, è stata sospesa a causa degli elevati consumi di carburante e del notevole inquinamento prodotto.
Motori a carica stratificata Una variante del motore a pistone ad accensione convenzionale, il motore a combustione interna con carica stratificata, è stata messa a punto per ridurre le emissioni senza dover disporre di un sistema di ricircolo dei gas di scarico o di un convertitore catalitico. La caratteristica fondamentale di questo tipo di motori è la doppia camera di combustione per ogni cilindro, con una precamera che riceve una miscela carburante-aria arricchita, mentre la camera di combustione viene riempita con una miscela molto povera. La scintilla incendia la miscela arricchita che, a sua volta, incendia quella principale. La temperatura di picco che ne risulta è abbastanza bassa da inibire la formazione di ossidi d’azoto, mentre la temperatura media è sufficientemente elevata da limitare le emissioni di monossido di carbonio e di idrocarburi.

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