motore a combustione

Motore a combustione (nel senso più ampio) è macchina, che bruciando combustibile trasforma la sua energia chimica in lavoro meccanico. Al processo di combustione del combustibile, o della miscela di combustibile può verificarsi nel motore, ma anche fuori dal motore. Nel senso più stretto, con il termine motore a combustione si intende in genere il motore a combustione interna a pistoni.^[1]. L'articolo si occupa del motore a combustione nel senso più ampio.

Principio di funzionamento

Alcune sostanze, comunemente denominate combustibili, sono in grado di reazione chimica di combustione, durante la quale si libera calore. Se il calore liberato riscalda il gas di lavoro, in base alla equazione di stato il suo pressione, o volume, aumenta, a seconda che si trovi in uno spazio chiuso, o aperto. Questo stato del gas può essere utilizzato per compiere lavoro meccanico, agendo con la pressione su una parte mobile del motore, o utilizzando la legge di azione e reazione all'uscita della sostanza di lavoro dal motore. L'estrazione del lavoro meccanico in forma utilizzabile è solo una questione di soluzione costruttiva appropriata. L'intero processo avviene in conformità con il secondo principio della termodinamica con una certa efficienza.

Una delle varianti del suddetto principio generale è presente in ogni realizzazione di motore a combustione. Si applica:

i combustibili possono essere solidi, liquidi o gassosi,
l'ambiente in cui avviene la combustione è più spesso aria ma può essere anche un'altra sostanza,
la combustione può avvenire all'interno o all'esterno del motore,
il gas di lavoro può essere separato, o possono essere direttamente i gas di scarico,
il gas di lavoro viene sostituito continuamente, o è chiuso nel motore,
la parte mobile del motore, su cui agisce il gas di lavoro, può muoversi in diversi modi,
per ottenere lavoro meccanico si può utilizzare uno, due, o entrambi i metodi insieme.

Data la suddetta descrizione non è sorprendente che il gruppo dei motori a combustione comprenda una grande varietà di tipi e diversi modelli costruttivi, quindi è utile utilizzare criteri corretti per la loro divisione.

Classificazione

I motori a combustione si dividono in base a diversi criteri. I singoli criteri sono indipendenti tra loro, quindi non è possibile creare una semplice struttura ad albero in questo caso

Classificazione fondamentale

I motori a combustione si dividono:

in base a dove avviene la combustione (nel motore o fuori da esso) in
- motori a combustione interna (la maggior parte dei motori a combustione moderni)
- motori a combustione esterna, dove si può distinguere se l'energia entra nello spazio di lavoro
  - con l'approvvigionamento dei gas di lavoro (ad esempio turbina a gas)
  - con il trasferimento di calore attraverso il riscaldatore della sostanza di lavoro (ad esempio motore di Stirling)
in base al ciclo di lavoro in
- motori con ciclo di lavoro continuo (ad esempio turbina a combustione)
- motori con ciclo di lavoro interrotto
  - motore a due tempi
  - motore a quattro tempi
In base al principio di funzionamento fondamentale:
- motori a combustione a pistoni
  - motori con movimento lineare diretto del pistone (la maggior parte dei motori a combustione moderni)
  - motori con movimento circolare del pistone (motore di Wankel)
- motori ad eliche (turbine)
- motori a reazione (reattivi, o a razzo)
I motori a combustione a pistoni si dividono in base al modo in cui si innesca la combustione in:
- motori a scintilla - la combustione è iniziata dall'energia di una fonte esterna - scintilla di una bacchetta di accensione
- motori a compressione - dove la combustione è iniziata riscaldando la miscela compressa sopra la temperatura di accensione
- motori con accensione combinata
- motori a luce

Nella pratica quotidiana oggi si intende per motore a combustione motore a combustione interna.

Altre classificazioni

Esistono anche altre classificazioni più dettagliate. L'elenco successivo dei criteri non è completo, inoltre le singole categorie di motori a combustione, ad esempio le turbine, hanno le loro categorie specifiche.

in base al tipo di combustibile bruciato i motori si dividono in:
- motori a gas - che bruciano combustibili gassosi ad esempio gas naturale
- motori a combustibili liquidi - petrolio (benzina, gasolio), o altri (alcol)
- motori a combustibili solidi - ad esempio carbone in polvere
- motori a combustibile multiplo - che possono passare a bruciare un altro combustibile con modifiche, o senza modifiche al motore
- motori a doppio combustibile - che bruciano contemporaneamente diversi tipi di combustibile
in base al luogo di preparazione della miscela:
- con formazione della miscela fuori dallo spazio di lavoro - ad esempio nel carburatore, camera di combustione
- con formazione della miscela nello spazio di lavoro - ad esempio nel cilindro dei motori a compressione
in base al modo di preparazione della miscela:
- motori a carburatore
- motori a iniezione
in base al modo in cui l'aria viene trasportata nei cilindri:
- motori con riempimento atmosferico dei cilindri (naturale), dove l'aspirazione è garantita solo dalla depressione generata dal movimento del pistone nel cilindro,
- motori sovralimentati, dove il riempimento del cilindro a una pressione maggiore di quella atmosferica è garantito da un dispositivo aggiuntivo nel sistema di riempimento. I dispositivi di riempimento possono essere meccanici ventole o anche compressori, ad esempio nell'automobile VW Corrado (G-Lader), o compressori utilizzati nelle automobili Bentley (Bentley Blower) turbocompressori, ad esempio nei motori TDI della società VW.
in base all'uso previsto in: motori stazionari, mobili, industriali, per centrali elettriche, navali, ferroviari, per veicoli, per trattori, speciali e altri.

Motore a combustione a pistoni

Per informazioni più dettagliate vedere l'articolo principale: Motore a combustione a pistoni

Questi motori sono il rappresentante più numeroso dei motori a combustione nei dispositivi tecnici. Vengono quasi esclusivamente utilizzati per il movimento dei veicoli motorizzati. La loro parte principale è il pistone, che compie un movimento lineare o rotatorio e media la conversione dell'energia di pressione del gas in energia meccanica di un albero motore che gira.

Motore a scintilla

Per informazioni più dettagliate vedere l'articolo principale: Motore a scintilla

La caratteristica principale dei motori a scintilla è che la miscela sopra il pistone nel cilindro viene accesa più spesso da una scintilla tra le elettrodi della candela. La miscela necessaria all'accensione richiede una fonte esterna di energia. Il motore a scintilla può funzionare sia a due tempi, che a quattro tempi.

Motore a compressione

Per informazioni più dettagliate vedere l'articolo principale: Motore a compressione

La caratteristica principale dei motori a compressione è che la miscela, che si forma direttamente nello spazio di combustione, si accende dal cosiddetto calore di compressione. Questi motori hanno un rapporto di compressione così alto che durante la compressione dell'aria aspirata nel cilindro, al momento dell'iniezione del combustibile nello spazio di combustione, la temperatura è superiore alla temperatura di accensione del combustibile. Anche il motore a compressione può funzionare come a due tempi, o a quattro tempi.

Motore a razzo

Per informazioni più dettagliate vedere l'articolo principale: Motore a razzo

Il motore a razzo ha una posizione speciale tra gli altri motori a combustione:

la sostanza di lavoro non viene prelevata durante l'operazione dall'atmosfera, ma oltre al combustibile deve disporre di una quantità sufficiente di ossidante
l'output utile del motore non è lavoro meccanico, ma effetto reattivo dei gas di scarico
oltre ai sistemi ausiliari (ad esempio pompe, rotazione dei ugelli) non contiene nel sistema principale di conversione dell'energia componenti mobili.

Considerando le differenze fondamentali menzionate, alcune parti del testo sottostante non si applicano ai motori a razzo.

Storia

I primi progetti di utilizzo della polvere da sparo, come fonte di energia meccanica apparvero già nel 17. secolo. In Francia si occuparono del problema Hautefeuille e Denis Papin, in Paesi Bassi Christian Huygens. Alla fine 18. secolo progettò Street in Regno Unito l'utilizzo di una miscela di combustibile liquido e aria, e Barber progettò la prima turbina a combustione. Nel 19. secolo depositò il brevetto Lebon del motore a gas doppio, S. Brown costruì un motore a gas e nel anno 1826 lo installò su un veicolo. Étienne Lenoir costruì nel anno 1860 un motore a due tempi a pistoni doppio su gas illuminante. Nel anno 1867 Nikolaus Otto e Langen costruirono un motore a gas atmosferico, nel anno 1873 Reithmann un motore a gas a quattro tempi, nel anno 1878 di nuovo Otto un motore a gas a quattro tempi a un solo cilindro. Nel anno 1879 costruì Kostovič un motore a scintilla con una potenza fino a 60 kW per il movimento di aerostati. Nel anno 1884 Gottlieb Daimler costruì il primo motore a quattro tempi a scintilla ad alta velocità. Nel anno 1893 descrisse Rudolf Diesel il ciclo di lavoro per l'utilizzo di polvere di carbone, o di altri combustibili pesanti. Nei anni 10 del 20. secolo si svolsero esperimenti per iniettare il combustibile con una pompa e non attraverso l'aria compressa. La produzione in serie di automobili, e quindi anche dei loro motori iniziò nel anno 1908 dalla società Ford. Nel anno 1912 costruì la società svizzera Sulzer i primi locomotive, alimentate da motori a gasolio.

Vantaggi e svantaggi dei motori a combustione

Ogni tipo di motore a combustione ha i suoi vantaggi e svantaggi e quindi si adatta più o meno bene al movimento dei singoli dispositivi.

I principali vantaggi dei motori a combustione sono:

i motori a pistoni raggiungono alte efficienze di conversione dell'energia. Le turbine a combustione raggiungono un'alta efficienza solo in unità ad alta potenza
è possibile metterli in funzione rapidamente (con l'eccezione dei motori ad alta potenza)
si possono costruire per diversi combustibili, scopi e dimensioni
soprattutto con combustibili liquidi permettono di raggiungere basse consumi di carburante, alti raggi di azione, basse masse di potenza, cioè sono adatti per il movimento dei mezzi di trasporto.

I principali svantaggi dei motori a combustione sono:

effetto non adatto sull'ambiente
richiedono una fonte esterna di energia per l'avvio (esclusi i motori a razzo)
i motori a pistoni hanno un andamento sfavorevole delle caratteristiche di potenza
non raggiungono una lunga durata

Sottosistemi

Avviatore elettrico

Il motore per il suo lavoro reale necessita di ulteriori sottosistemi.

Sistema di carburante garantisce l'immagazzinamento, la distribuzione e il filtraggio del combustibile.
Sistema di preparazione della miscela garantisce la preparazione della miscela di combustione dell'aria e del combustibile in quantità sufficiente, qualità e composizione appropriata.
Sistema di raffreddamento garantisce l'eliminazione del calore residuo e il funzionamento del motore in regime termico ottimale.
Sistema di lubrificazione garantisce la lubrificazione delle parti mobili del motore.
Sistema di controllo (oggi quasi esclusivamente elettronico) garantisce la regolazione del funzionamento del motore in base alle condizioni esterne e allo stato stesso del motore.
Sistema elettrico garantisce una sufficiente quantità di energia per i sistemi alimentati da energia elettrica.
Sistema di accensione (nei motori a scintilla) garantisce l'accensione affidabile della miscela nello spazio di combustione.

Regolazione della potenza

La potenza del motore a combustione dipende principalmente dalla quantità di energia liberata bruciando il combustibile. La quantità di energia liberata può essere regolata in due modi.

Regolazione della quantità della miscela, anche chiamata regolazione quantitativa. Con una minore quantità di miscela si libera meno energia e quindi il motore fornisce una minore potenza. Questa regolazione viene utilizzata nei motori a scintilla che non funzionano con una miscela omogenea. Più spesso questa regolazione è realizzata attraverso una valvola di farfalla nella tubazione di aspirazione.
Regolazione della composizione della miscela, anche chiamata regolazione qualitativa. La stessa quantità di miscela che contiene meno combustibile libera meno energia. Questa regolazione viene utilizzata soprattutto nei motori a compressione che funzionano con una miscela eterogenea. Più spesso questa regolazione è rappresentata da una variazione della durata dell'iniezione del combustibile.

Componenti della miscela

Combustibili

Di norma come combustibili si utilizzano idrocarburi: facilmente evaporabili (benzina), difficilmente evaporabili (gasolio), gas naturale (CNG), gas liquefatto di propano-butano (GPL), alcol (metanolo, etanolo).

Vengono utilizzate anche le loro diverse miscelature, oppure il motore viene utilizzato come multipalivolo con il cambio del combustibile durante la guida. Negli ultimi tempi ai combustibili si iniziano ad aggiungere additivi biologici, come ad esempio ester metilico della colza (MERO).

Si sta lavorando intensamente per sostituire i combustibili derivati dal petrolio all'idrogeno.

Aria

Oltre al combustibile, una componente necessaria della miscela per la maggior parte dei motori a combustione è l'aria, perché contiene ossigeno necessario per la combustione.

Bilancio energetico

Il calore fornito con il combustibile si divide nel motore a combustione come segue:

Q_d = Q_e + Q_ch + Q_v + Q_ns + Q_ol + Q_zv

Q_d - calore fornito con il combustibile
Q_e - calore equivalente al lavoro utile del motore
Q_ch - calore sottratto al sistema di raffreddamento
Q_v - calore sottratto dai gas di scarico
Q_ns - calore non utilizzato a causa della combustione incompleta del combustibile, chiamato anche perdite chimiche
Q_ol - calore sottratto dall'olio lubrificante
Q_zv - calore non incluso nei membri precedenti (altre perdite)

La percentuale delle componenti più significative dell'equazione è indicata nella tabella, dove Q_d corrisponde al 100 %.

Tipo di motore	% Q_e	% (Q_ch + Q_ol)	% Q_v
a scintilla	21 a 28	12 a 27	30 a 55
a compressione	29 a 42	15 a 35	25 a 45

L'energia termica che causa il riscaldamento del motore e dei gas di scarico (Q_ch, Q_v, Q_ol) è inutilizzabile e si chiama energia perduta.

Dal confronto sopra indicato risulta che il motore a compressione utilizza l'energia fornita più efficacemente, quindi funziona con una maggiore efficienza.

Dal calore equivalente al lavoro utile Q_e si consuma anche una parte per le perdite meccaniche (attrito e movimento degli aggregati ausiliari).

Emissioni

I motori a combustione sono una fonte significativa di emissioni

Per informazioni più dettagliate vedere l'articolo principale: Emissioni dei mezzi di trasporto

Il motore a combustione, considerando la sua diffusione di massa, appartiene alle fonti significative dell'inquinamento dell'ambiente. Il prodotto naturale della combustione perfetta del combustibile a idrocarburi sono

CO₂ - anidride carbonica.
H₂O - acqua.

Oltre a questi si formano anche altre sostanze dannose:

NO_x - ossidi di azoto, prevalentemente ossido di azoto. Si formano per la dissociazione dell'azoto alle alte temperature e successiva ossidazione.
NH₃ - ammoniaca. Si formano per la combustione insufficiente del combustibile.
CO - monossido di carbonio. Si forma per la combustione incompleta senza un sufficiente accesso all'aria (ossigeno).
CH_x - idrocarburi non bruciati. Si formano per la combustione insufficiente del combustibile.
SO₂ - anidride solforosa. Si forma per la combustione di impurità di zolfo nello combustibile.
O₃ - ozono. Si forma durante le reazioni di NO_x e CH_x.
particelle solide - solubili, o insolubili (carbone) - soprattutto nei motori che bruciano combustibili difficilmente evaporabili (motori diesel).
aldeidi - idrocarburi parzialmente ossidati.

Il motore a combustione è anche una fonte significativa di emissioni di rumore.

Riduzione delle emissioni

Con il livello attuale delle conoscenze non è possibile sostituire in massa il motore a combustione con un'altra forma di propulsione alternativa, adatta al trasporto automobilistico, che mantenga i vantaggi del motore a combustione e non abbia i suoi svantaggi. Per questo i produttori di motori e di veicoli motorizzati lavorano intensamente per ridurre gli effetti negativi dell'utilizzo dei motori a combustione.

Per ridurre le emissioni si può utilizzare una delle seguenti tecniche:

Aumento dell'efficienza del motore. Questa tecnica porta a una riduzione del consumo di carburante, che in proporzione riduce anche il volume delle emissioni prodotte dal motore in condizioni altrimenti uguali. Per ridurre le emissioni di C0₂ questa tecnica è l'unica possibile, poiché l'anidride carbonica è il prodotto della combustione perfetta (e quindi pulita).
Utilizzo di dispositivi ausiliari. L'obiettivo di questi dispositivi è aumentare la purezza dei gas di scarico prima dell'emissione nell'atmosfera. L'implementazione tecnica sono catalizzatori (a tre vie, o che reagiscono solo su una certa componente) o filtraggio dei gas di scarico.
Modifiche costruttive del motore. Si tratta principalmente di modifiche del rapporto di compressione, del timing delle valvole, della dimensione e forma degli orifizi di iniezione, aumento del numero di valvole, modifica della forma degli spazi di combustione, riduzione delle perdite per attrito.
Influenzare il corso della combustione. Si realizza cambiando il timing e il volume dell'iniezione, utilizzando candele di accensione anche a basse cariche, cambiando il flusso della miscela nel cilindro.
Modifica dei combustibili. Sono desiderabili combustibili con una maggiore percentuale di idrogeno, un minore contenuto di zolfo e idrocarburi policiclici, con un aumento del numero cetanico e numero ottanico .
Cambio del ciclo di lavoro. Per i motori con regolazione quantitativa è possibile utilizzare la tecnica di disattivazione dei cilindri CDA (Cylinder DeActivation).
Influenzando il riempimento dei cilindri. A carichi parziali è possibile utilizzare la tecnica di recircolazione dei gas di scarico - EGR (Exhaust Gas Recilculation).