Ilmotore a quattro tempi è il più conosciutomotore termico del mondo, comunemente usato nelleautomobili; ne esistono vari tipi, in grado di bruciare molti tipi di combustibili fossili o naturali, comebenzina,gasolio,metano,GPL,metanolo.
Questo tipo di motore oltre che nelle automobili, è di larga diffusione sulle motociclette e più recentemente su molti modelli discooter, ma soprattutto nei camion di basso tonnellaggio o addirittura nei tosaerba. A differenza di un motore a 2 tempi questo tipo di motore è meno inquinante, più affidabile e gode di consumi ridotti.
Il termine "a quattro tempi" deriva dal fatto che la combustione avviene perquattro passaggi successivi, con alcune differenze tramotore ad accensione comandata emotore ad accensione spontanea:
Intuendo la possibilità di ottenerelavoro da unamiscela chimica,Eugenio Barsanti, insegnante difisica, costruì e presentò ai suoi studenti un rudimentale congegno per cui, se intromessa una miscela e scoccata una scintilla, trasformasse l'esplosione in forza lavoro. Perfezionandolo, costruì insieme all'Ing.Felice Matteucci un motore monocilindrico con pistone verticale. Successivamente nel 1861 l'ingegnere tedescoNikolaus August Otto sperimentò il suo primo motore a gas a 4 tempi che dovette abbandonare a causa di difficoltà tecnologiche.Nel 1867 lo stessoOtto e il connazionaleLangen idearono un motore 4 tempi a gas, con accensione della miscela compressa, presentato l'anno dopo a Parigi. La grande intuizione diOtto stava nel far scoccare la scintilla a miscela compressa anziché solamente aspirata, aumentando in questo modo ilrendimento del motore. Nel corso del tempo, la struttura ed il funzionamento del motore a 4 tempi sono sostanzialmente rimasti invariati.
Ilciclo termodinamico del motore a quattro tempi, come noto, si sviluppa completamentein due rotazioni dell'albero motore, questo perché il pistone svolge una doppia funzione, come meglio spiegato qui di seguito.
Neimotori ad accensione comandata le valvole di aspirazione si aprono per consentire l'ingresso della carica, che nei motori adiniezione diretta èsolo comburente (tipicamente aria) il combustibile verrà iniettato successivamente direttamente nella camera di combustione tramite un iniettore, mentre per i motori adiniezione indiretta o a carburatori consiste nellamiscela preformata di combustibile-comburente.Ilpistone scende dalpunto morto superiore (PMS) alpunto morto inferiore (PMI): durante questo tragitto la biella compie1 corsa e la manovella ruota di180°. Scendendo, le due creano unafortedepressione nella camera di combustione, grazie alla quale, insieme all'inserimento dicarburante 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 imotori diesel si hanno solo l'aspirazione d'aria el'iniezione diretta. Fino a pochi anni fa, nei piccoli diesel automobilistici, l'iniezione era di tipo indiretto, ed avveniva in una precamera (tipo Ricardo Comet) dalla quale la combustione si propagava in camera di scoppio: questo, al fine di rendere meno ruvido il funzionamento del motore.
Levalvole di aspirazione si chiudono eil pistone risale dal PMI al PMS, comprimendo la carica all'interno dellacamera di combustione.
Neimotori diesel viene compressaaria e le pressioni raggiunte al termine di questa fase sonomaggiori rispetto a quelle deimotori ad accensione comandata. L'elevata temperatura incendia il combustibile iniettato alla fine della fase di compressione.
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| 2. Compressione |
Il pistone salendocomprime l'aria all'interno del cilindro: una volta arrivato alla fine della sua corsa, la candela accende la miscela producendo l'espansione della miscela che ormai detonata spinge verso il basso il pistone.
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| 3.1 Combustione | 3.2 Espansione |
Nei motori ad accensione comandata la combustione avviene grazie all'innesco generato dalla scintilla che scocca tra gli elettrodi di una o più candele. La scintilla scocca nell'istante desiderato (grazie al segnale dei sensori di fase) dopo la compressione e poco prima che sia raggiunto il PMS.È importante sottolineare come in questa fase all'interno della camera di combustionenon avvenga unadeflagrazione,bensì unacombustione. La combustione prosegue rapidissima e deve completarsi senza dare luogo ad un'esplosione (che causerebbe il cosiddettobattito in testa) perché in tal caso le sollecitazioni, superando abbondantemente i parametri progettuali, porterebbero rapidamente allarottura meccanica.Questa fase èla sola "attiva" di tutto il ciclo poiché è l'unica fase dove si produce lavoro utile (il pistone viene spinto verso il PMI dall'energia prodotta dalla combustione). Le altre tre fasi sono dette "passive". L'energia necessaria in queste fasi viene fornita dal volano motore che immagazzina sotto forma dienergia cinetica una parte dell'energia prodotta nella fase attiva per poi restituirla nelle altre tre fasi.
Nei motori ad accensione per compressione (diesel), la combustione del combustibile iniettato alla fine della fase di compressione avviene a causa del raggiungimento della temperatura di autoaccensione del combustibile, tale aumento di temperatura è conseguenza del forte aumento di pressione generato dalla compressione.La combustione genera un elevato aumento dientalpia, il fluido motore utilizza il "suo contenuto entalpico" per compiere il lavoro di espansione spingendo il pistone fino al PMI.
La valvola di scarico si apre prima che il pistone arrivi al PMI. Questa fase si chiama"Scarico libero". Nello"Scarico forzato" invece, sceso al PMI, il pistone risale spinto dal movimento degli altri pistoni o per effetto delle masse volaniche nei motori monocilindrici, espellendo i gas provocati dalla combustione attraverso l'apertura dellevalvole di scarico, che fanno evacuare il gas combusto dal cilindro, preparandolo ad un nuovo ciclo, mentre i residui della combustione vengono immessi nelcollettore di scarico, collegato all'impianto di scarico, costituito dallamarmittacatalitica, dalsilenziatore e in alcuni casi, come nelmotore diesel, anche dalfiltroattivoantiparticolato, filtrando i gas e scaricandoli nell'aria. Le dimensioni di questi ultimi componenti sono proporzionali alla cilindrata del motore.
Nei motori a quattro tempi ci sono degli accorgimenti per migliorare la funzionalità delle varie fasi e del rendimento globale del motore:
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