Motore a combustione interna: differenze tra le versioni

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{{F|meccanica|gennaio 2012}}

[[File:osservatorio ximeniano, modello del motore a scoppio barsanti-matteucci 03.JPG|thumb|Modello del motore Barsanti-Matteucci all'[[osservatorio Ximeniano]] di Firenze]]

Il '''motore a combustione interna''' (MCI) o '''motore endotermico''', impropriamente detto '''''motore a scoppio''''', è una [[macchina motrice]] per convertire l'[[energia termica]], posseduta da un flusso aeriforme [[aria]]-[[combustibile]], in [[lavoro meccanico]], reso disponibile all'[[albero motore]], ed usato solitamente per la [[Locomozione terrestre|locomozione]] o per convertire il suo movimento meccanico (in genere la [[rotazione]]) in [[energia elettrica]], tramite un [[generatore elettrico]].

:

[[File:Wankel engine diagram.svg|sinistra|miniatura|Motore rotativo senza pistoni (o con unico pistone rotativo)]]

== Storia ==

[[File:Motore a scoppio Barsanti e Matteucci 1854 riproduzione Museo scienza e tecnologia Milano.jpg|thumb|Motore a scoppio Barsanti e Matteucci, 1854 (riproduzione ante 1962, [[Museo nazionale della scienza e della tecnologia Leonardo da Vinci]], Milano). Fu il primo esempio di motore a combustione interna usato per azionare macchine utensili.]]

[[File:IC engine.JPG|thumb|Diagramma di un motore a pistoni]]

L'invenzione è ricondotta ai lucchesi [[Eugenio Barsanti]] e [[Felice Matteucci]], nel 1853 dettagliarono il funzionamento e la costruzione in documenti e [[brevetti]] depositati in diversi paesi europei quali [[Gran Bretagna]], [[Francia]], [[Italia]] e [[Germania]]<ref>{{Cita web |url=http://www.torvergata-karting.it/article/articleview/20/1/2 |titolo=Storia del motore a combustione interna |accesso=4 febbraio 2009 |dataarchivio=15 febbraio 2009 |urlarchivio=https://web.archive.org/web/20090215045724/http://www.torvergata-karting.it/article/articleview/20/1/2 |urlmorto=sì }}</ref>.

Nei primi prototipi mancava la fase di [[compressione (motore)|compressione]], ovvero la fase di aspirazione terminava precocemente con la chiusura della [[valvola di aspirazione]] prima che il [[Pistone (meccanica)|pistone]] raggiungesse metà corsa, al che scoccava la [[scintilla]] e la combustione spingeva il pistone per la restante corsa, approfittando poi della riduzione di [[pressione]] per farlo risalire e questo ciclo era davvero poco efficiente.

Le prime applicazioni pratiche dei motori a combustione interna furono come motori marini fuoribordo. Questo perché il principale impedimento all'applicazione pratica del motore a combustione interna in veicoli terrestri era il fatto che, a differenza del [[motore a vapore]], non poteva partire da fermo. I motori marini non risentono di questo problema, essendo le eliche esenti da un rilevante [[momento di inerzia]]. Dopo anni di sperimentazioni, solo nel [[1899]] apparvero delle vere [[frizione (meccanica)|frizioni]] in grado di far partire un veicolo terrestre da fermo senza doverlo spingere manualmente: ciò diede l'effettivo impulso allo sviluppo dell'[[autovettura]].

== Classificazione ==

[[File:Wankel-Airco.jpg|thumb|Sezione di un [[motore Wankel]]]]

Il motore endotermico può essere sia [[Motore rotativo|rotativo]], con o [[Motore rotativo senza pistoni|senza pistoni]], che [[Motore a movimento alternativo|alternativo]], ed è quasi esclusivamente ad [[Motore ad accensione comandata|accensione comandata]]. La conversione avviene nella [[camera di combustione]], dove i gas combusti generano l'alta [[pressione]] e l'aumento di volume che inducono lo spostamento dei [[pistone (meccanica)|pistoni]], i quali, tramite collegamenti vari, fanno ruotare l'albero motore. La miscela consiste in una parte di [[combustibile]] ([[benzina]], [[gasolio]], [[cherosene]], [[gas di petrolio liquefatto|gpl]], [[gas naturale]], [[Alcoli|alcool]], ecc.) e in una parte di comburente (solitamente l'[[ossigeno]] contenuto nell'aria), dosati in proporzioni particolari, anche in base al combustibile; il tipo di combustibile determina anche le caratteristiche del motore e quindi la sua applicazione nei vari ambiti.

in base alla tipologia i motori a combustione interna si suddividono:

* '''motore volumetrico''' (il fluido motore viene elaborato con cadenza periodica all'interno di un volume ben definito e generato ciclicamente dal moto di alcuni organi meccanici)

** [[motore a movimento alternativo]], in cui il moto alternativo dei [[pistone (meccanica)|pistoni]] viene trasformato in un moto rotatorio attraverso un [[manovellismo di spinta rotativa]]

** [[Motore rotativo|motore a movimento rotativo]], il pistone ha un movimento rotatorio più o meno costante a seconda del tipo di motore, come il [[motore Wankel]] e [[motore toroidale|motore toroidale di Taurozzi]]

* '''motori continui''' (il fluido motore viene elaborato in maniera continua in una zona a volume non variabile e si configura quindi come un sistema meccanico energetico in deflusso)

** [[turbina a gas (turbomacchina)|turbina a gas]]

** [[motore a reazione]] come [[esoreattore]] e [[endoreattore]] (anche detto ''[[motore a razzo]]'')

Il motori a movimento alternativo in base al tipo di ciclo termodinamico:

* [[ciclo Otto]], utilizzato per il [[motore ad accensione comandata]] (impropriamente definito motore a scoppio)

* [[ciclo Diesel]], utilizzato per il [[motore ad accensione spontanea]]

* [[ciclo Sabathé]], utilizzato per motori ad accensione comandata o spontanea e che meglio descrive il funzionamento di questi motori a regimi elevati

oppure in base a come viene frazionato il ciclo sul moto alterno in motori:

* [[motore a due tempi]]

* [[motore a quattro tempi]]

* [[motore a sei tempi]]

* [[motore a sette tempi]]

Il motore volumetrico alternativo a quattro tempi è il motore che fornisce l'energia meccanica a quasi tutti i mezzi di trasporto su gomma (escluso taluni motocicli con il due tempi), ma anche barche a motore (escluso le navi con il due tempi sovralimentato) e ad alcuni treni. Viene usato talvolta su un piccolo [[aeroplano]] ad elica e per produrre energia elettrica a bassa tensione.

== Principi di funzionamento ==

[[File:Rotax FR 125 Senior Max Engine.jpg|thumb|Motore termico ad accensione comandata, con tutti i sistemi in vista]]

I motori a combustione interna si basano sulla [[reazione chimica]] [[esotermico|esotermica]] della [[combustione]]: la reazione di un [[carburante]] con un [[comburente]], normalmente aria. Vedi anche [[stechiometria]]. In alcuni motori venne introdotto un nuovo tipo di sistema che migliorava di netto i consumi, denominato [[Lean Burn]] (combustione magra), consisteva nell'iniezione di aria ad alta pressione direttamente nella camera di combustione per ottimizzare l'esplosione della miscela.

I motori a combustione interna sono costituiti da diversi sistemi (impianti) che ne permettono il funzionamento, quali:

* ''[[Impianto d'accensione]]'', questo sistema è presente solo sui motori ad accensione comandata e permette l'inizio della combustione

* ''[[Impianto d'avviamento]]''

* ''[[Impianto d'alimentazione]]''

* ''[[Impianto di raffreddamento]]''

* ''[[Impianto di scarico]]''

I carburanti più utilizzati oggi sono composti da [[idrocarburi]] e sono derivati dal [[petrolio]]. Recentemente sono stati sviluppati prototipi che possono utilizzare anche [[idrogeno]] (sia gassoso, sia liquido). La maggior parte dei motori a combustione interna progettati per funzionare a benzina possono bruciare anche [[metano]] o GPL senza modifiche a parte quelle necessarie per l'impianto di alimentazione.

Essi vengono classificati in base al sistema di [[accensione]] utilizzato per provocare la combustione in:

* ''motori ad accensione comandata'': nei motori ad accensione comandata di solito l'accensione viene comandata attraverso una scintilla ad alta tensione che scocca nella miscela aria-combustibile all'interno del cilindro. La scintilla viene prodotta attraverso un [[impianto d'accensione]]. Inoltre per l'avvio del motore in condizioni di temperatura esterna e del motore stesso relativamente basse, si utilizza un sistema che serve a garantire un avvio più facile, chiamato [[starter (meccanica)|starter]].

* ''motori ad accensione spontanea'': nei motori ad accensione spontanea (detti anche [[motore Diesel|motori Diesel]]) il combustibile viene iniettato nell'aria compressa nei cilindri del motore e la combustione ha luogo spontaneamente, grazie alle favorevoli condizioni termo-pressorie del comburente.

L'energia dei prodotti di combustione, i [[gas combusti]], è superiore all'energia originale dell'aria e del carburante (che avevano una maggiore [[energia chimica]]) e si manifesta attraverso un'elevata [[temperatura]] e [[pressione]] che vengono trasformate in [[lavoro meccanico]] dal motore. Nei motori alternativi, è la pressione dei gas combusti a spingere i pistoni all'interno dei cilindri del motore.

Recuperata l'energia, i gas combusti vengono eliminati attraverso una o due valvole di scarico. Nei motori a combustione interna attuali, dopo essere stati espulsi dal cilindro, i gas di scarico attraversano una [[turbina]] che provvede a recuperare l'energia residua dei prodotti della combustione, al fine di poter azionare un compressore centrifugo (calettato sullo stesso albero della turbina), il quale comprime l'aria comburente (sovralimentazione mediante [[turbocompressore]] azionato da gas di scarico). Al termine di questa fase il pistone torna nella posizione di [[punto morto superiore]] (pms). Tutto il [[calore]] non trasformato in lavoro deve essere eliminato dal motore attraverso un [[sistema di raffreddamento]] ad aria o a liquido.

== Potenza ==

[[File:J85 ge 17a turbojet engine.jpg|thumb|Spaccato di un turbogetto [[General Electric J85|General Electric J85-GE-17A]]]]

La potenza effettiva o potenza meccanica di un motore è la [[Potenza (fisica)|potenza]] disponibile sull'[[albero motore]] considerate tutte le dispersioni. Una delle sue formule è la potenza «per via termica» esprimibile con la formula:

:<math>P_{eff} = \rho_a \, \frac{V K^*}{\lambda} \, \lambda_v \, \eta_{cc} \, \eta_{th} \, \eta_i \, \eta_m \, \frac{n}{{\tau \over 2}}</math>

Dove le variabili della formula rappresentano:

:<math>\rho_a</math> è la densità dell'aria, circa pari, ma sempre inferiore a quella atmosferica nei motori aspirati, più elevata nei motori sovralimentati (generalmente del 20-30%)

:''V'' è la [[cilindrata]]

:<math>K^*</math> è la [[tonalità termica]]

:<math>\lambda</math> è l'indice d'aria (maggiore di uno per miscele magre, inferiore per miscele grasse)

:<math>\lambda_v</math> a volte anche detto <math>\eta_v</math> è il coefficiente di riempimento.

:<math>\eta_{cc}</math> è il rendimento in camera di combustione

:<math>\eta_{th}</math> è il rendimento ideale

:<math>\eta_i</math> è il rendimento indicato

:<math>\eta_m</math> è il rendimento meccanico

:''n'' è la velocità di rotazione dell'albero motore, espressa come numero di giri al secondo.

:<math>\tau</math> è il numero di tempi del motore (2-4)

== Note ==