Oggi ci occupiamo per il ciclo “All'Avanguardia della Tecnica”, dei propulsori delle nostre auto, vale a dire il motore a quattro tempi. Preciso sin da subito che questo sarà un articolo abbastanza generale, nel quale non entreremo troppo nei dettagli ma faremo una panoramica tecnica del ciclo che caratterizza i propulsori quattro tempi.



Essi sono definiti come un motori termici, comunemente usati nelle automobili e in grado di bruciare molti tipi di combustibili fossili o naturali, come benzina, gasolio, metano, GPL, o anche metanolo.
Ultimamente questa tipologia di propulsore si sta diffondendo molto pure sui motocicli, dove sino a qualche anno fa si prediligevano motori a due tempi, e sugli scooter di piccola cilindrata.



La storia del motore quattro tempi è indissolubilmente legata, fu però al tedesco Otto (tutt'ora i motori Audi e Volkswagen sono definiti a Ciclo Otto), che per primo progettò e realizzò un propulsore alimentato a gas verso la fine dell'800: la sua più grande intuizione fu quella di aumentare il rendimento facendo scoccare la scintilla a miscela compressa anziché solamente aspirata. Le evoluzioni del motore Otto sono quelle che abbiamo tutt'ora sulla maggior parte delle automobili.



Ma perchè si chiama motore a quattro tempi? La risposta è molto semplice. Questa denominazione deriva dal fatto che la combustione avviene attraverso quattro passaggi successivi, con alcune differenze tra motore ad accensione comandata e motore ad accensione spontanea. Le quattro fasi sono:
Aspirazione: nella quale si ha l'introduzione di aria o di una miscela aria-combustibile nel cilindro;
Compressione: nella quale la miscela aria o aria-combustibile addotta viene compressa volumetricamente; generalmente durante questa fase si ha l'inizio della combustione
Espansione: nella quale si ha per l'appunto l'espansione volumetrica dei gas combusti; generalmente durante le prime fasi d'espansione si ha la fine della combustione;
Scarico: nella quale vengono espulsi i gas combusti dal motore



Ora vediamo un po' più nel dettaglio queste quattro fasi, valutando meglio gli aspetti tecnici:
Aspirazione
Nei motori ad accensione comandata (ossia soprattutto quelli a benzina), le valvole di aspirazione si aprono per consentire l'ingresso della carica, che nei motori ad iniezione diretta è solo comburente (tipicamente aria) mentre per i motori ad iniezione indiretta o a carburatori consiste nella miscela preformata di combustibile-comburente. Il pistone scendendo lungo la sua corsa, fa compiere alla biella un movimento tale da portare ad una rotazione di 180°C della manovella, perciò, scendendo, i pistoni creano una forte depressione nella camera di combustione. Poi grazie a questa depressione e all'inserimento di carburante da parte di un iniettore, la camera si riempie della quantità di carburante calcolata dalla centralina elettronica sulla base della pressione sul pedale dell'acceleratore.
Per i motori diesel, invece, si ha solo l'aspirazione d'aria e l'iniezione diretta.
Compressione
Nei motori benzina le valvole di aspirazione si chiudono e il pistone risale nella posizione iniziale, comprimendo l'aria o la miscela all'interno della camera di combustione e spendendo lavoro.
Nei motori diesel viene compressa aria e le pressioni raggiunte al termine di questa fase sono maggiori rispetto a quelle dei motori benzina sopra citati. L'elevata temperatura incendia il combustibile iniettato alla fine della fase di compressione.



Accensione ed espansione
In questo caso bisogna fare un distinguo fra motori ad accensione comandata, ossia benzina e ad accensione per compressione, ossia i diesel: nel primo caso una scintilla fra due candele funge da innesco subito dopo la compressione, in modo da generare una combustione che procede velocissima e si deve concludere senza generare esplosioni, perché in tal caso le sollecitazioni, superando abbondantemente i parametri progettuali, porterebbero rapidamente alla rottura meccanica. L'energia necessaria viene fornita dal volano motore che immagazzina sotto forma di energia cinetica una parte dell'energia prodotta nella fase di accensione, per poi restituirla nelle altre tre fasi.
Nell'accensione per compressione, la combustione del combustibile iniettato avviene a causa del raggiungimento della temperatura di autoaccensione del combustibile stesso; tale aumento di temperatura è conseguenza del forte aumento di pressione generato dalla compressione.
Scarico
La valvola di scarico si apre prima che il pistone arrivi a fine corsa in una fase definita "Scarico libero"; sceso a fine corsa, il pistone risale spinto dal movimento degli altri pistoni, portando al cosiddetto "Scarico forzato". In questa fase vengono espulsi i gas provocati dalla combustione attraverso l'apertura delle valvole di scarico, che fanno evacuare il gas combusto dal cilindro, preparandolo ad un nuovo ciclo, mentre i residui della combustione vengono immessi nel collettore di scarico, per poi passare all'impianto di scarico, costituito dalla marmitta catalitica, dal silenziatore e in alcuni casi, come nel motore diesel, anche dal filtro attivo antiparticolato(il FAP filtra i gas e li scarica nell'aria). Le dimensioni di quest'ultimi componenti sono proporzionali alla cilindrata del motore.





Infine, per migliorare il rendimento dei motori a quattro tempi e la funzionalità delle varie fasi, nel corso degli anni, sono stati sviluppati alcuni accorgimenti:
Incrocio delle valvole: si ha quando si passa dalla fase di scarico a quella d'aspirazione, questa tecnica permette di sfruttare l'inerzia dei gas espulsi per facilitare l'aspirazione dei gas freschi nel cilindro.
Ritardo dell'aspirazione: è una tecnica che consiste nel far chiudere in ritardo le valvole d'aspirazione, ossia quando il pistone sta risalendo; ciò è necessario per migliorare il riempimento, dato che i gas freschi hanno un'inerzia che impedisce un riempimento ideale.
Anticipo di scarico: è una tecnica che consiste nel far aprire in anticipo le valvole di scarico, dove l'apertura delle valvole avviene prima che il pistone raggiunga la fine della sua corsa, questo è necessario per evitare che altrimenti il pistone sprechi troppa energia per espellere tali gas.
Sistema di distribuzione a fasatura variabile, sistema che permette d'adattare in modo più o meno marcato l'azionamento delle valvole, in modo da poter ampliare l'arco di funzionamento ottimale del motore.
Valvola di gestione all'aspirazione: essa è governata da un motorino elettrico, controllato a sua volta da una centralina; questa soluzione viene adottata perché la distribuzione delle fasi ha dei limiti d'operabilità, dove i valori di settaggio sono ottimali per una determinata situazione di funzionamento. Questa soluzione è migliore nei sistemi a fasatura variabile, che riescono ad avere più situazioni ottimali, ma che hanno sempre dei limiti nelle altre situazioni. Con questa valvola, si riesce a diminuire la resistenza in aspirazione e quindi ottimizzare il riempimento del cilindro nelle varie situazioni, compensando il ritardo in chiusura ed evitando fenomeni di reflusso dell'aria, il tutto a vantaggio dell'efficienza.
Valvola di gestione allo scarico: essa è governata da un motorino elettrico, controllato a sua volta da una centralina; questa soluzione viene adottata perché le distribuzioni delle fasi hanno dei limiti d'operabilità, dove i valori di settaggio sono ottimali per una determinata situazione di funzionamento. Questa soluzione è migliore nei sistemi a fasatura variabile, che riescono ad avere più situazioni ottimali, ma che hanno sempre dei limiti nelle altre situazioni. Con questa valvola si riesce a ridurre la resistenza allo scarico, riducendo l'effetto dell'anticipo di scarico, riducendo le perdite di pressione alla sua apertura e le perdite di aria dallo scarico, migliorando l'efficienza.





Dunque questo è un piccolo riassunto sull'importanza dei motori a quattro tempi e sulle strategie adottabili per migliorarne l'efficienza: come si può vedere il progresso è fondamentale anche in questo campo, giacchè l'evoluzione dei propulsori a quattro tempi, sia benzina che diesel, è arrivata a un livello davvero ottimale, nel quale consumi e prestazioni sono perfettamente bilanciate. E questo bilanciamento è uno dei punti di forza di Audi, che grazie a sistemi come il cylinder on demand e alla tecnologia ultra, riesce a ottenere delle vetture potenzialmente perfette, sotto questo punto di vista.



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Edited by mi.ky.87 - 10/7/2014, 11:17