I motori a combustione interna

Principi Fondamentali dei Motori a Combustione Interna

I motori a combustione interna (MCI) sono macchine termiche che trasformano l'energia chimica del carburante in energia meccanica attraverso un processo di combustione che avviene all'interno del motore stesso. Questi motori sono caratterizzati dalla presenza di un fluido operante, che partecipa alla combustione e si espande, compiendo lavoro. I MCI si dividono in due categorie principali: motori alternativi, che includono i motori a scoppio e i motori diesel, e motori rotativi, come le turbine a gas. I motori alternativi utilizzano pistoni che si muovono avanti e indietro in cilindri chiusi, e il loro movimento viene convertito in rotazione dell'albero motore tramite il sistema biella-manovella.

Tipologie e Funzionamento dei Motori Alternativi

I motori alternativi si suddividono in motori a scoppio, che operano con un sistema di carburazione o iniezione elettronica per formare una miscela aria-combustibile, e motori diesel, che iniettano il carburante direttamente nell'aria compressa e calda presente nel cilindro, innescando la combustione senza bisogno di una scintilla. Il ciclo di funzionamento dei motori alternativi può essere a due tempi, dove ogni giro dell'albero motore corrisponde a un ciclo completo, o a quattro tempi, dove il ciclo si completa in due giri dell'albero. Il ciclo a quattro tempi è più comune e si compone di aspirazione, compressione, espansione (o lavoro) e scarico.

Componenti e Ciclo Operativo dei Motori a Quattro Tempi

Un motore a quattro tempi è costituito da componenti chiave come la testata del cilindro, le valvole di aspirazione e scarico, lo stantuffo, l'albero a gomiti e il sistema di distribuzione. Il ciclo inizia con la fase di aspirazione, dove la valvola di aspirazione si apre per far entrare la miscela aria-combustibile o l'aria (nei motori diesel). Segue la fase di compressione, in cui la miscela o l'aria viene compressa. La fase di combustione ed espansione inizia con l'accensione della miscela (nei motori a scoppio) o con l'iniezione del carburante (nei motori diesel), generando la spinta sul pistone. Infine, nella fase di scarico, i gas combusti vengono espulsi dal cilindro.

Il Ciclo Termodinamico e il Diagramma di Funzionamento

Il ciclo termodinamico ideale per i motori a scoppio è il ciclo Otto, che prevede due trasformazioni adiabatiche reversibili (compressione ed espansione) e due isocore (combustione e scarico). Il diagramma p-V (pressione-volume), noto anche come diagramma indicato, rappresenta le variazioni di pressione nel cilindro in funzione del volume. Questo diagramma è fondamentale per analizzare il comportamento reale del motore e per identificare le differenze rispetto al ciclo ideale, dovute a fattori come perdite termiche, velocità finite di combustione e dinamica delle valvole.

Rendimento e Prestazioni dei Motori a Combustione Interna

Il rendimento termico di un motore a combustione interna è il rapporto tra il lavoro utile prodotto e l'energia termica introdotta sotto forma di carburante. Il rendimento indicato riflette l'efficienza con cui il calore viene convertito in lavoro meccanico al pistone, mentre il rendimento volumetrico misura l'efficienza di riempimento dei cilindri con la miscela aria-combustibile. Per ottimizzare le prestazioni dei motori, è cruciale migliorare questi rendimenti attraverso la progettazione avanzata dei componenti, l'ottimizzazione dei processi di combustione e l'accurata gestione dei cicli operativi.