Motore ad accensione comandata

Motori alternativi

Sono i classici motori presenti sulle automobili comuni. A loro volta possono essere suddivisi in base al numero di corse complete del pistone (tempi motore) necessarie per completare un ciclo termodinamico:

Motori a quattro tempi (4T)

I motori a quattro tempi, largamente usati in auto e moto civili, sono caratterizzati da un numero di tempi eguale al numero di fasi che quindi coincidono. Pertanto, i 4T compiono un ciclo completo ogni due rotazioni dell'albero motore.

Dal punto di vista costruttivo sono caratterizzati da avere almeno una valvola a fungo per l'aspirazione e almeno una per lo scarico posizionate sulla testata, posseggono una lubrificazione esterna che non prevede la combustione di olio motore, il quale viene inviato ad alta pressione su tutte le componenti tra cui anche il cilindro, dove la tenuta dell'olio è affidata all'anello raschiaolio, e ricade continuamente nella relativa coppa.

Motori a due tempi (2T)

I motori a due tempi compiono il ciclo in sole due corse del pistone. Dal momento che, quindi, è sufficiente un solo giro dell'albero motore per completare un ciclo, i 2T, teoricamente, sviluppano una potenza doppia a parità delle altre caratteristiche. In questi motori, la lubrificazione è solitamente a perdere e l'olio viene in parte bruciato assieme al combustibile. Inoltre, le fasi di scarico e aspirazione sono parzialmente sovrapposte e costituiscono il lavaggio nel quale, attraverso una leggera pressione, viene fatta entrare la miscela aria-carburante nel cilindro la quale prende il posto dei gas esausti. Tale pressione può essere generata da motore stesso (motore con aspirazione dal carter pompa) o da una pompa esterna (motori con pompa di lavaggio separata).

Motori rotativi

Per innalzare in numero di giri al minuto, senza avere troppe forze d'inerzia da contrastare si possono usare i motori a stantuffo rotativo come il motore Wankel.

Motore Wankel

Nel motore Wankel sono presenti tre camere nelle quali avvengono le fasi del ciclo Otto. Il pignone deve possedere un diametro primitivo pari ai due terzi di quello della dentatura del rotore, il quale ha forma quasi triangolare, mentre lo statore è una cassa trocoidale dotata di intercapedini per il passaggio di acqua di raffreddamento. Questo motore presenta però il problema dell'usura precoce del rotore, impedendo la corretta tenuta, e delle emissioni. Infatti, il Wankel prevede una lubrificazione a perdere che porta alla presenza di olio combusto nei gas di scarico (come per i due tempi).

Basamento

Realizzato in ghisa o leghe d'alluminio leggere, il basamento è la struttura principale di un motore che ne permette l'ancoraggio con staffe ai supporti motore. Oltre che per evitare un peso eccessivo, dentro viene realizzato generalmente cavo per permettere agli alberi e alle altre parti in movimento di muoversi con la corretta lubrificazione, le quali sono mantenute a temperatura controllata dal liquido refrigerante. In base alle aperture di quest'ultimo, esistono due configurazioni: l'open-deck che presenta le aperture per il liquido refrigerante sulla sommità e il closed deck che invece le ha sui lati.

Cilindri

Dentro il basamento sono realizzati i cilindri, le parti dove scorrono i pistoni. Essi possono essere in numero molto variabile, ma solitamente i motori possono essere monocilindrici o bicilindrici per le piccole applicazioni o a tre, quattro, cinque, sei, otto o dodici cilindri disposti in linea, in opposizione, inclinati a V o W o a stella.

Testata

La testata è la parte superiore di un motore che si occupa di completare e sigillare, con una guarnizione, la camera di combustione. Anche lei è in ghisa o leghe leggere e al suo interno sono presenti la continuazione delle cavità dedicate ad olio e liquido refrigerante del basamento oltre agli alloggiamenti per le candele d'accensione, le valvole e i condotti della miscela aria-combustibile e del gas di scarico. Se questi condotti sono dallo stesso lato si parla di testata a contro-corrente, altrimenti è cross-flow (su lati opposti).

Pistone o stantuffo

È solitamente realizzato nella lega di alluminio-silicio Al Si 12 Cu Ni rinforzato in invar e devono essere leggeri per ridurre l'inerzia. Inoltre, sono sottoposti a notevoli spinte dovute alle pressioni generate durante la combustione (da 30 a 40 bar medi) nella quale si raggiungono temperature elevate mentre la sommità del pistone deve rimanere sotto i 350 °C sul cielo. La forma è leggermente ellittica lungo il lato dove avvengono le spinte laterali, al suo esterno sono ricavati gli scavi per le fasce elastiche di tenuta e raschiaolio, mentre al suo interno sono ricavati i condotti dell'olio e l'alloggiamento dello spinotto dove è incernierata la biella.

Biella

È il componente che si occupa di trasferire il moto di traslazione o dal pistone o dalla testa a croce all'albero a gomiti (meccanismo biella-manovella). Viene incernierata allo spinotto del pistone nel piede o occhio di biella, mentre viene vincolata all'albero motore nella testa di biella tramite una bronzina suddivisa in due parti (semigusci). Può essere prodotta in acciaio legato fucinato, ghisa sferoidale o titanio (bielle da competizione) e il fusto di biella, la parte tra il piede e la testa, ha solitamente forma piena o a doppio T.

Albero a gomiti

Anche detto albero a manovelle è costituito dalle maschette o bracci di manovella che sorreggono i bottoni di manovella dove sono incernierate le bielle, mentre in posizione diametralmente opposta sono presenti i contrappesi per ridurre le vibrazioni. L'albero è sorretto dai supporti di banco mediante delle bronzine e termina con un volano per rendere regolare il suo moto.

Albero a camme

L'albero a camme si occupa di gestire l'apertura delle valvole a fungo nei 4T ed è formato da camme o eccentrici. Solitamente non comunica mai direttamente con le valvole ma viene interposta la punteria che può variare a seconda del tipo di distribuzione (valvole in testa, albero a camme in testa o altre).

Ciclo Otto ideale

Ciclo Otto indicato

Storicamente, quando si è posto il problema di misurare i cicli reali delle macchine a vapore vennero ideati i primi strumenti indicatori da Watt, attrezzi di misura di pressioni e volumi nel cilindro. Se si pone uno di essi sul motore, si ottiene un grafico, come quello al lato, detto ciclo Otto indicato che corrisponde al ciclo realmente eseguito. Si noti come le curve siano molto più arrotondate rispetto al ciclo teorico. Inoltre, è importante osservare come le fasi di aspirazione e scarico individuino un "sotto ciclo" operatore (senso antiorario) detto ciclo di pompaggio che diminuisce il lavoro utile. Infine, oltre alla non completa adiabaticità della compressione e dell'espansione, l'accensione non è in genere né completa né isocora e viene anticipata, così come lo scarico.

Carburanti liquidi

Le benzine sono i combustibili più usati in tali motori. Sono leggere, di massa volumica ${\displaystyle \rho \simeq 0{,}7{\text{ kg/dm}}^{3}}$, e volatili con vapori facilmente infiammabili. Presentano, inoltre, un potere calorifico inferiore ${\displaystyle \Delta _{c}H_{i}^{o}}$ da 44 a 46 MJ/kg.

Alternativamente sono usati l'alcol etilico e l'alcol metilico (${\displaystyle \rho }$ da 0,79 a 0,81 kg/dm³) incolori e molto volatili. Presentano un buon potere antidetonante ma un basso ${\displaystyle \Delta _{c}H_{i}^{o}}$ che si aggira in condizione di purezza attorno a 29 MJ/kg.

Il benzolo che può provenire dalla distillazione del catrame o del carbon coke è costituito prevalentemente da benzene che, come per gli alcoli, ha un potere antidetonante superiore alla benzina ma un ${\displaystyle \Delta _{c}H_{i}^{o}}$ inferiore.

Carburanti solidi

Non esistono tentativi riusciti di utilizzo di carburanti solidi polverizzati che non intasino o consumino anticipatamente le parti meccaniche in movimento come i cilindri e le valvole a causa delle ceneri prodotte. Tuttavia, attraverso un gassogeno, è possibile produrre gas succedanei alla benzina quali gas d'aria (${\displaystyle \Delta _{c}H_{i}^{o}}$ da 3,4 a 3,8 MJ/kg), gas misto (${\displaystyle \Delta _{c}H_{i}^{o}=5{\text{MJ/kg}}}$) e gas illuminante (${\displaystyle \Delta _{c}H_{i}^{o}=29{\text{MJ/kg}}}$) a partire da legna, torbe, carboni di vario genere, sanse d'olive, vinacce e biomassa in generale.

Carburanti gassosi

I carburanti gassosi possono essere di sintesi, come l'acetilene che possiede un ${\displaystyle \Delta _{c}H_{i}^{o}}$ più alto della benzina (50 MJ/kg) ma ha un basso potere antidetonante con conseguente riduzione del rapporto di compressione; o naturali come il metano e il gas di petrolio, ricavati dalle esalazioni dei pozzi petroliferi, hanno buon potere calorifico (circa 46 MJ/kg) ma vengono stoccati a pressioni di circa 200 bar per cui richiedono riduttori di pressione e altre modifiche all'impianto d'alimentazione.