Nelle ultime tre “puntate” (1, 2, 3)della rubrica Energia e Futuro abbiamo parlato da un punto di vista prettamente storico del motore e combustione interna e del veicolo che è stato sviluppato intorno ad esso, l’automobile, e sono stati introdotti alcuni concetti fondamentali sulle tipologie dei motori e sulle emissioni degli stessi.
Quest’oggi e nei prossimi post esamineremo in maniera tecnica il motore a combustione interna al fine di comprenderne il funzionamento e discutere sulle emissioni inquinanti degli stessi, per poi affrontare le soluzioni che al momento rappresentano la ricerca di frontiera motoristica.
IL MOTORE AD ACCENSIONE COMANDATA
Come già descritto in precedenza, il motore a ciclo Otto prende il nome dal suo ideatore Nikolaus Otto, un ingegnere tedesco che sviluppò gli studi di Lenoir ed altri e realizzò un motore che rappresenta ancora oggi la base di tutti i motori a benzina a 4 tempi, anche se sarebbe più corretto indicarli come motori “ad accensione comandata” in quanto la combustione della miscela aria combustibile viene provocata dalla scintilla prodotta dalla candela.
Le quattro fasi che contraddistinguono un motore 4 tempi sono:
- aspirazione della carica (in genere una miscela aria-combustibile)
- compressione
- combustione e successiva espansione
- scarico
Una rappresentazione di tali fasi è possibile in un diagramma che presenta grandezze termodinamiche come assi x ed y, ed il diagramma più utilizzato per i motori è quello dove vengono indicate le pressioni ed i volumi.
Per un ciclo Otto ideale si ottiene:
La parte indicata dal tratto 0-1 corrisponde all’aspirazione della carica fresca, il tratto 1-2 alla compressione adiabatica (ovvero senza scambio termico con l’esterno), il tratto 2-3 alla combustione a volume costante, il tratto 3-4 all’espansione adiabatica dei gas combusti, il tratto 4-1 allo scarico spontaneo a volume costante, mentre lo scarico forzato coincide con il tratto 1-0 (percorso in verso opposto all’aspirazione).
In corrispondenza dei tratti 2-3 e 4-1 sono presenti rispettivamente un “ingresso di calore nel ciclo” ed una “cessione di calore dal ciclo”, così come teoricamente idealizzate da Otto, corrispondenti all’energia sviluppata dalla combustione ed alla cessione all’ambiente dell’energia residua (o non convertita in lavoro meccanico) dei gas combusti.
L’area compresa tra i vari tratti è la misura del lavoro meccanico ottenibile dal ciclo ideale.
Se termodinamicamente il ciclo Otto presenta delle differenze notevoli rispetto al ciclo Diesel (in quest’ultimo la combustione avviene a pressione costante, pertanto al tratto verticale 2-3 bisogna sostituirne uno orizzontale), da un punto di vista “pratico” la differenza apparente è costituita dalla modalità di accensione della miscela aria combustibile, in quanto nei motori a ciclo Otto si utilizza una scintilla provocata da una candela, mentre nel ciclo Diesel la combustione si innesca spontaneamente a causa dell’elevata pressione di fine compressione.
La scelta della modalità di accensione e la forma del diagramma termodinamico sono in realtà strettamente dipendenti, in quanto per potere realizzare una combustione a volume costante risulta necessario innescare la stessa nel momento desiderato, avendo avuto cura di evitare accensioni spontanee durante la compressione, e cercare di permettere un rapido sviluppo della stessa quando il pistone si trova al punto morto superiore PMS (ovvero nel punto di fine compressione, dove termina la fase ascendente ed inizia la discesa verso il punto morto inferiore PMI).
Un valido sistema per ottenere questo risultato è quello di innescare la combustione al PMS attraverso una scintilla, e fare propagare la fiamma rapidamente.
Anche le caratteristiche del combustibile devono essere adeguate, infatti esso deve garantire una forte resistenza all’autoaccensione per evitare che la combustione si inneschi spontaneamente, inoltre deve essere facilmente vaporizzabile in quanto la combustione avviene in fase gassosa.
In realtà il diagramma rilevabile dal funzionamento del motore risulta sensibilmente differente da questo, presentando piuttosto una forma del tipo:
Si nota come i singoli tratti non siano più nettamente riconoscibili, ed inoltre il tratto relativo all’aspirazione ed allo scarico forzato ora racchiudano un’area non nulla, e conseguentemente rappresenta il lavoro speso dal motore per il ricambio della carica, lavoro che va poi sottratto a quello utile del ciclo per potere valutare quello effettivamente disponibile all’albero motore.
COMBUSTIONE ED EMISSIONI
Perché la combustione proceda e sia il più completa possibile è necessario che la miscela presenti caratteristiche di omogeneità e proporzioni tra aria e combustibile tali da richiedere in genere una miscela omogenea e stechiometrica.
La miscela omogenea significa che nell’intero volume della camera di combustione il rapporto tra aria e combustibile deve essere costante, senza zone quindi dove la miscela sia più ricca o povera di combustibile, e questo al fine di una combustione migliore.
Le emissioni di questi motori, in virtù dell’insieme di caratteristiche che li contraddistinguono, sono essenzialmente costituite da:
- CO2
- HC
- NOx
- CO
Il CO e gli HC vengono prodotti dalla non completa combustione della carica, mentre gli NOx si formano a causa dell’elevata temperatura di combustione, pertanto per eliminare queste specie inquinanti si utilizza un catalizzatore trivalente, capace di ossidare gli HC e la CO formando CO2 ed H2O e ridurre gli NOx ad azoto molecolare (N2).
Il funzionamento del catalizzatore è molto delicato e richiede un’accurato bilanciamento delle specie da trattare, e pertanto la necessità di miscela stechiometrica diventa una condizione rigorosa nelle varie condizioni di funzionamento del motore.
Il catalizzatore è costituito in genere da un cilindro poroso prodotto in materiale ceramico, sul quale vengono depositati dei metalli nobili (i catalizzatori), ed il tutto viene racchiuso in un contenitore metallico collegato in serie allo scarico del motore:
Per i motori ad accensione comandata per il momento è tutto, ma di emissioni si riparlerà successivamente.
Invito tutti a seguirci ancora, e l’appuntamento è per lunedì prossimo sempre su AppuntiDigitali, sempre con la rubrica Energia e Futuro.
