Il funzionamento del motore a quattro tempi

Il motore a quattro tempi, cuore pulsante di automobili, motociclette e una vasta gamma di macchinari, rappresenta un pilastro fondamentale dell’ingegneria meccanica. La sua capacità di trasformare l’energia chimica immagazzinata nei combustibili fossili in lavoro meccanico ha rivoluzionato il mondo dei trasporti e dell’industria, plasmando la società come la conosciamo oggi. Ecco i principi di funzionamento di questo straordinario propulsore, analizzando le due principali tipologie di ciclo termodinamico che ne governano l’operatività: il ciclo Otto, alla base dei motori a benzina, e il ciclo Diesel, impiegato nei motori a gasolio.

Il ciclo otto: motori a benzina auto e moto

Il ciclo Otto, dal nome dell’ingegnere tedesco Nikolaus Otto che lo brevettò nel 1876, descrive il funzionamento dei motori a combustione interna alimentati a benzina. Questo ciclo si articola in quattro fasi distinte, ognuna delle quali svolge un ruolo cruciale nel processo di conversione dell’energia:

1. aspirazione: durante questa fase, il pistone si muove verso il basso all’interno del cilindro, creando una depressione che aspira la miscela aria-carburante attraverso la valvola di aspirazione. La miscela, preparata nel carburatore o iniettata direttamente nel collettore di aspirazione oppure nel cilindro, è composta da aria e benzina in proporzioni stechiometriche, garantendo una combustione ottimale;
2. compressione: con la valvola di aspirazione chiusa, il pistone risale, comprimendo la miscela aria-carburante. Questa compressione aumenta significativamente sia la pressione che la temperatura della miscela, preparandola per l’accensione e massimizzando l’efficienza della successiva combustione. Il rapporto di compressione, definito come il rapporto tra il volume massimo e minimo del cilindro, è un parametro chiave che influenza le prestazioni e l’efficienza del motore;
3. combustione ed espansione: raggiunto il punto morto superiore, la candela d’accensione genera una scintilla che innesca la combustione rapida e controllata della miscela compressa. L’energia chimica liberata dalla combustione si trasforma in un aumento di pressione e temperatura dei gas all’interno del cilindro, che espandendosi spingono con forza il pistone verso il basso. Questo movimento lineare del pistone viene convertito in moto rotatorio dall’albero motore, generando il lavoro meccanico che alimenta la trasmissione del veicolo;
4. scarico: dopo la fase di espansione, la valvola di scarico si apre, permettendo l’espulsione dei gas combusti durante la corsa ascendente del pistone. Questi gas, ad alta temperatura e pressione, vengono convogliati nel sistema di scarico, dove subiscono un processo di post-trattamento per ridurre le emissioni inquinanti prima di essere rilasciati nell’atmosfera.

Il ciclo diesel

Alla base dei motori alimentati a gasolio, si differenzia dal ciclo Otto principalmente per l’assenza della candela d’accensione e per un rapporto di compressione significativamente più elevato. Queste caratteristiche conferiscono al motore Diesel un’efficienza termica superiore e una maggiore coppia motrice a bassi regimi:

1. aspirazione: durante la corsa discendente del pistone, solo aria fresca viene aspirata nel cilindro. L’assenza di carburante in questa fase ottimizza il riempimento volumetrico del cilindro, massimizzando la quantità di aria disponibile per la successiva combustione;
2. compressione: l’aria aspirata viene compressa a un rapporto molto elevato, tipicamente compreso tra 14:1 e 22:1, generando temperature estremamente elevate, dell’ordine di 500-700 °C. Questa compressione adiabatica dell’aria è fondamentale per l’accensione del gasolio, che avviene senza la necessità di una scintilla;
3. iniezione e combustione: raggiunto il punto morto superiore (punto più alto raggiunto dal pistone all’interno del cilindro), il gasolio viene iniettato ad alta pressione nella camera di combustione attraverso l’iniettore. La polverizzazione del carburante e l’elevata temperatura dell’aria compressa provocano l’accensione del gasolio, generando una combustione progressiva e controllata. L’espansione dei gas combusti spinge il pistone verso il basso, producendo lavoro meccanico;
4. espansione e scarico: le fasi di espansione e scarico sono simili a quelle del ciclo Otto. I gas combusti, ad alta temperatura e pressione, vengono espulsi attraverso la valvola di scarico e convogliati nel sistema di post-trattamento per ridurre le emissioni inquinanti.

Tecnologie motoristiche

Nel corso degli anni, l’ingegneria ha sviluppato una serie di tecnologie innovative per migliorare le prestazioni, l’efficienza e l’impatto ambientale dei motori a quattro tempi. Queste innovazioni hanno permesso di ottenere motori più potenti, più efficienti dal punto di vista dei consumi e con emissioni inquinanti ridotte:

• iniezione diretta: questa tecnologia consente un controllo preciso della quantità e del timing (tempo) dell’iniezione di carburante direttamente nella camera di combustione. Ciò si traduce in una combustione più efficiente, una migliore nebulizzazione del carburante e una riduzione dei consumi;
• fasatura variabile: i sistemi di fasatura variabile consentono di regolare dinamicamente l’apertura e la chiusura delle valvole di aspirazione e scarico in funzione del regime e del carico del motore. Questa flessibilità ottimizza il riempimento volumetrico del cilindro e il rendimento termico, migliorando le prestazioni e riducendo i consumi in un’ampia gamma di condizioni operative;
• turbocompressore: è un dispositivo che sfrutta l’energia dei gas di scarico per comprimere l’aria in ingresso nel motore. Questa sovralimentazione aumenta la densità dell’aria, consentendo di iniettare una maggiore quantità di carburante e ottenere una potenza specifica più elevata a parità di cilindrata. Inoltre, il turbocompressore può contribuire a migliorare l’efficienza globale del motore, soprattutto ai carichi parziali;
• sistemi di post-trattamento dei gas di scarico: per ridurre l’impatto ambientale dei motori a combustione interna, sono stati sviluppati sofisticati sistemi di post-trattamento dei gas di scarico. Questi sistemi includono catalizzatori a tre vie, filtri antiparticolato e sistemi di riduzione catalitica selettiva (SCR), che riducono le emissioni nocive come ossidi di azoto (NOx), particolato e monossido di carbonio (CO).

Affidabilità e prestazioni

Una corretta manutenzione è fondamentale per garantire la longevità e il funzionamento ottimale di un motore a quattro tempi. Seguire scrupolosamente il piano di manutenzione raccomandato dal costruttore e affidarsi a personale qualificato per gli interventi più complessi sono passi essenziali per mantenere l’affidabilità e le prestazioni del motore nel tempo. Tra le operazioni di manutenzione più importanti, ricordiamo:

• sostituzione periodica di olio e filtro: l’olio motore svolge un ruolo cruciale nella lubrificazione e nel raffreddamento delle parti in movimento, prevenendo l’usura e i danni. La sostituzione periodica dell’olio e del filtro, secondo gli intervalli raccomandati, è fondamentale per garantire la corretta lubrificazione e la rimozione delle impurità che si accumulano durante il funzionamento del motore;
• controllo e sostituzione delle candele: nei motori a benzina, le candele d’accensione devono essere in buone condizioni per garantire un’accensione affidabile della miscela aria-carburante. Candele usurate o danneggiate possono causare mancate accensioni, perdite di potenza e aumento dei consumi. È importante controllare periodicamente lo stato delle candele e sostituirle secondo le indicazioni del costruttore;
• pulizia del sistema di alimentazione e degli iniettori: un sistema di alimentazione pulito e iniettori ben funzionanti sono essenziali per garantire una corretta combustione e prestazioni ottimali. Depositi di sporco o impurità possono compromettere la polverizzazione del carburante, causando problemi di combustione, perdite di potenza e aumento delle emissioni inquinanti.