Motori termici

Motori a combustione esterna Motori a combustione interna

I motori a combustione esterna sono i motori che dispongono di una caldaia, nella quale viene prodotto un fluido sufficientemente caldo per trasformare l’energia termica in energia cinetica . I motori a combustione esterna più noti sono stati i motori a vapore .

I motori a combustione interna sono i motori che non dispongono di una caldaia, la combustione avviene all’interno del cilindro, il gas prodotto dalla combustione diventa il fluido di lavoro. I motori a combustione interna più noti sono i, cosiddetti, motori a scoppio .

I motori termici sono quelle macchine che consentono di convertire l’energia Termica in energia Meccanica ( Cinetica )

Principio di funzionamento

All’interno di un ambiente chiuso un gas tende a muoversi liberamente, gli atomi o le molecole del gas, così facendo urtano contro le pareti dell’ambiente. Se aumenta la temperatura aumenta proporzionalmente la velocità con cui si spostano le molecole del gas, ciò comporta un proporzionale aumento degli urti contro le pareti. La somma degli urti contro le pareti nell’unità di tempo si può definire pressione del gas.

All’aumentare della temperatura aumenta la pressione in modo proporzionale e viceversa

Macchina di Papin

Acqua Vapore Condensazione

Macchina di Newcomen

La macchina di Newcomen viene definita anche macchina a pressione atmosferica . Prende le mosse dalla macchina di Papin . Da una caldaia arriva il vapore, sempre disponibile, al cilindro regolato da un rubinetto. Il pistone , collegato ad un bilanciere , mediante una catena si solleva per effetto sia del vapore sia di un contrappeso posto dall’altra parte del bilanciere . Il vapore serve solo a controbilanciare la pressione atmosferica, in quanto il cilindro nella parte alta è aperto. Quando il pistone raggiunge il punto morto superiore l’operatore aprirà il rubinetto dell’acqua fredda , in modo da far condensare il vapore all’interno del cilindro. In questo modo si crea un vuoto all’interno del cilindro che consente alla pressione atmosferica di riportare in basso il pistone .

Tempi

Parti

I FASE I FASE

T1 T2 T3 T4 T5 T1 T2 T3 T4 T5

Caldaia

Condotto Vapore

Cilindro

Pistone

Bilanciere

contrappeso

Pompa

Conten. acqua fredda

Condotto acqua fredda

Pressione atmosferica

Espansione

Condensazione

Diagramma di flusso lineare L’esempio si riferisce Alla macchina di Newcomen . Seguendo le frecce si può ricostruire la successione delle fasi e dei tempi della macchina stessa . In questo modo diventa molto più chiaro il funzionamento e la funzione delle varie parti della macchina .

Confronto degli schemi delle Macchine di Watt e Newcomen

La Macchina di Watt è l’evoluzione della macchina di Newcomen . Watt evita la condensazione interna al cilindro inserendo per prima cosa il condensatore separato, tutte le altre innovazioni sono la conseguenza di questa scelta.

Nella Macchina di Newcomen la condensazione avviene nel cilindro, ciò crea notevoli problemi perché il metallo del cilindro si deformava per effetto degli sbalzi termici

Modello della macchina di Watt

Nella macchina di Watt differentemente dalla macchina di Newcomen il vapore agisce su entrambi i lati del pistone . Watt aggiunge alla macchina di Newcomen un condensatore separato , il cassetto di distribuzione , il sistema a parallelogramma, il volano, e il regolatore centrifugo. Il rendimento della macchina di Watt è nettamente superiore, almeno di 40 volte il rendimento della macchina di Newcomen. Watt deve chiudere il cilindro per poter fare agire il vapore sia nella perte superiore sia nella parte inferiore. La condensazione del vapore, che nella macchina di Newcomen, avveniva all’interno del cilindro, in questa avviene nel condensatore separato. Il cassetto di distribuzione , il vero cuore della macchina, è collegato con la caldaia, con il condensatore e con il cilindro, questo ultimo in due punti sopra e sotto, in modo d’avere due camere di espansione. Il cassetto è azionato da uno stantuffo interno che si muove per effetto del movimento della macchina stessa. Il bilanciere è collegato dall’altra parte ad un volano che permette alla macchina di avere un moto regolare.

Diagramma di flusso della macchina di Watt

La macchina di Watt con il cilindro disposto in orizzontale utilizzata in industrie

Motori a combustione interna

Motori a 4 tempiMotori a 2 tempi

Benzina/Metano Diesel

I motori a combustione interna possono essere a 4 tempi o a 2 tempi, i primi possono funzionare con un combustibile come la Benzina o come il Metano, oppure con la nafta detta anche diesel

Parti fondamentali di un motore a 4 Tempi

Nel motore a combustione interna il pistone viene spinto verso il basso dalla combustione di un combustibile ( Benzina ) che miscelato precedentemente con aria è immesso nel cilindro per mezzo dell’apertura di una valvola. Una candela ( organo elettrico) fa scoccare la scintilla alla fine della fase di compressione consentendo l’innesco della rapida combustione ( detta scoppio ) . Il pistone scende, così rapidamente verso il basso , convertendo l’energia termica del combustibile in energia cinetica dell’albero motore.

Normalmente un motore a combustione interna possiede quattro cilindri per poter dare una spinta costante all’albero motore , in quanto la fase attiva è solo quella di scoppio

Le quattro fasi di un motore a scoppio a benzina

Un motore a combustione interna segue un ciclo di più fasi . Il più comune è quello a 4 fasi .

La 1° fase è la fase di aspirazione, una miscela di aria e benzina entra nel cilindro risucchiata dalla discesa del pistone . La valvola di aspirazione è aperta mentre quella di scarico è chiusa.

La 2° fase è la fase di compressione, la miscela di aria e benzina viene compressa verso l’alto, verso la testa del cilindro, dove si trova la candela. Le due valvole sono entrambe chiuse.

La 3° fase è quella di scoppio la miscela aria benzina , già surriscaldata per effetto dell’elevata pressione si incendia a causa dello scoccare della scintilla prodotta dalla candela

La 4° fase è quella di scarico, i gas prodotti dalla combustione fuoriescono dal condotto di scarico

Schema dell’impianto elettrico del motore a scoppio

La batteria fornisce una correte a bassa tensione, all’accensione del motore la bobina trasforma la correte a bassa tensione in una corrente ad alta tensione. Questa viene distribuita alle candele mediante lo spinterogeno

Motore Diesel

In un motore diesel a differenza di un motore a benzina, lo scoppio non avviene per lo scoccare di una scintilla ma per l’elevata temperatura che il combustibile diesel incontra all’interno del cilindro. Il combustibile diesel si incendia con maggiore facilità della benzina .

Gli iniettori sostituiscono le candele in un motore diesel, in tal modo l’apparato elettrico che consente lo scoccare della scintilla diventa superfluo.

Motore a due tempi

Il motore a due tempi,come quello a quattro tempi, funziona mediante l' esplosione della miscela benzina-aria, ma si differenzia da quest' ultimo, perchè mancano gli organi di distribuzione e lubrificazione. Per la lubrificazione, viene sfruttato direttamente l' olio presente nella miscela. Questo motore, non ha valvole, al posto di queste, il cilindro ha tre luci: una luce (S) per lo scarico del gas bruciato, una luce (C) che mette in comunicazione il carburatore con il carter del motore, ed una luce (M) che permette il passaggio della miscela dal carter al cilindro. La fase di scoppio, avviene ad ogni giro completo dell' albero motore, con due sole corse(verso il basso e verso l' alto) del pistone,contro i due giri completi di quello a quattro tempi, quindi la resa è notevolmente superiore!