Motore a quattro tempi - Four-stroke engine

Ciclo a quattro tempi utilizzato nei motori a benzina/benzina: aspirazione (1), compressione (2), potenza (3) e scarico (4). Il lato blu destro è la porta di aspirazione e il lato marrone sinistro è la porta di scarico. La parete del cilindro è un sottile manicotto che circonda la testa del pistone che crea uno spazio per la combustione del carburante e la genesi dell'energia meccanica.

A quattro tempi (anche a quattro tempi ) Motore è una combustione interna motore (IC) in cui il pistone compie quattro tratti separati ruotando l'albero motore. Una corsa si riferisce alla corsa completa del pistone lungo il cilindro, in entrambe le direzioni. I quattro tratti separati sono chiamati:

  1. Aspirazione : nota anche come induzione o aspirazione. Questa corsa del pistone inizia al punto morto superiore (PMS) e termina al punto morto inferiore (PMI). In questa corsa la valvola di aspirazione deve essere in posizione aperta mentre il pistone aspira una miscela aria-carburante nel cilindro producendo una depressione nel cilindro attraverso il suo movimento verso il basso. Il pistone si sta abbassando mentre l'aria viene aspirata dal movimento verso il basso contro il pistone.
  2. Compressione : Questa corsa inizia al PMS, o solo alla fine della corsa di aspirazione, e termina al PMS In questa corsa il pistone comprime la miscela aria-carburante in preparazione all'accensione durante la corsa di potenza (sotto). Sia le valvole di aspirazione che di scarico sono chiuse durante questa fase.
  3. Combustione : noto anche come potenza o di accensione. Questo è l'inizio della seconda rivoluzione del ciclo a quattro tempi. A questo punto l'albero motore ha compiuto un giro completo di 360 gradi. Mentre il pistone è al PMS (fine della corsa di compressione) la miscela aria compressa-carburante viene accesa da una candela (in un motore a benzina) o dal calore generato dall'alta compressione (motori diesel), riportando con forza il pistone al PMS Questa corsa produce lavoro meccanico dal motore per girare l'albero motore.
  4. Scarico : noto anche come scarico. Durante la corsa di scarico , il pistone, ancora una volta, ritorna da BDC a PMS mentre la valvola di scarico è aperta. Questa azione espelle la miscela aria-carburante esausta attraverso la valvola di scarico.

Questi quattro colpi possono anche essere indicati rispettivamente come "succhia, stringi, bang, soffia", che possono essere più facili da ricordare.

Storia

Ciclo Otto

Un motore Otto del 1880 di fabbricazione statunitense

Nikolaus August Otto era un commesso viaggiatore per una ditta di generi alimentari. Nei suoi viaggi, incontrò il motore a combustione interna costruito a Parigi dall'espatriato belga Jean Joseph Etienne Lenoir . Nel 1860, Lenoir creò con successo un motore a doppio effetto che funzionava con gas illuminante con un'efficienza del 4%. Il 18 litro Lenoir motore prodotta solo 2 cavalli. Il motore Lenoir funzionava con gas illuminante a base di carbone, che era stato sviluppato a Parigi da Philip Lebon .

Nel testare una replica del motore Lenoir nel 1861, Otto si rese conto degli effetti della compressione sulla carica del carburante. Nel 1862, Otto tentò di produrre un motore per migliorare la scarsa efficienza e affidabilità del motore Lenoir. Cercò di creare un motore che comprimesse la miscela di carburante prima dell'accensione, ma fallì poiché quel motore non funzionerebbe più di pochi minuti prima della sua distruzione. Molti altri ingegneri stavano cercando di risolvere il problema, senza successo.

Nel 1864, Otto ed Eugen Langen fondarono la prima società di produzione di motori a combustione interna, NA Otto and Cie (NA Otto and Company). Otto e Cie riuscirono a creare un motore atmosferico di successo quello stesso anno. La fabbrica ha esaurito lo spazio ed è stata trasferita nella città di Deutz , in Germania nel 1869, dove l'azienda è stata ribattezzata Deutz Gasmotorenfabrik AG (The Deutz Gas Engine Manufacturing Company). Nel 1872, Gottlieb Daimler era direttore tecnico e Wilhelm Maybach era il capo della progettazione del motore. Daimler era un armaiolo che aveva lavorato al motore Lenoir. Nel 1876, Otto e Langen riuscirono a creare il primo motore a combustione interna che comprimeva la miscela di carburante prima della combustione per un'efficienza molto più elevata di qualsiasi motore creato fino a quel momento.

Daimler e Maybach lasciarono il loro impiego presso Otto e Cie e svilupparono il primo motore Otto ad alta velocità nel 1883. Nel 1885 produssero la prima automobile dotata di un motore Otto. La Daimler Reitwagen ha utilizzato un sistema di accensione a tubo caldo e il carburante noto come Ligroin per diventare il primo veicolo al mondo alimentato da un motore a combustione interna. Utilizzava un motore a quattro tempi basato sul progetto di Otto. L'anno successivo, Karl Benz ha prodotto un'automobile con motore a quattro tempi che è considerata la prima auto.

Nel 1884, la società di Otto, allora nota come Gasmotorenfabrik Deutz (GFD), sviluppò l'accensione elettrica e il carburatore. Nel 1890, Daimler e Maybach formarono una società nota come Daimler Motoren Gesellschaft . Oggi, che la società è Daimler-Benz .

ciclo di Atkinson

Questo 2004 Toyota Prius ibrida ha un motore a ciclo Atkinson come il motore ibrido benzina-elettrico
Il ciclo del gas di Atkinson

Il motore a ciclo Atkinson è un tipo di motore a combustione interna a corsa singola inventato da James Atkinson nel 1882. Il ciclo Atkinson è progettato per fornire efficienza a scapito della densità di potenza e viene utilizzato in alcune moderne applicazioni elettriche ibride.

Il motore a pistoni a ciclo Atkinson originale consentiva alle corse di aspirazione, compressione, potenza e scarico del ciclo a quattro tempi di verificarsi in un singolo giro dell'albero motore ed è stato progettato per evitare di violare alcuni brevetti che coprono i motori a ciclo Otto.

A causa del design unico dell'albero motore dell'Atkinson, il suo rapporto di espansione può differire dal suo rapporto di compressione e, con una corsa di potenza più lunga della sua corsa di compressione, il motore può raggiungere una maggiore efficienza termica rispetto a un motore a pistoni tradizionale. Sebbene il design originale di Atkinson non sia altro che una curiosità storica, molti motori moderni utilizzano una fasatura delle valvole non convenzionale per produrre l'effetto di una corsa di compressione più breve/corsa di potenza più lunga, realizzando così i miglioramenti in termini di risparmio di carburante che il ciclo Atkinson può fornire.

Ciclo diesel

Audi Diesel R15 a Le Mans

Il motore diesel è un perfezionamento tecnico del motore a ciclo Otto del 1876. Laddove Otto si era reso conto nel 1861 che l'efficienza del motore poteva essere aumentata comprimendo prima la miscela di carburante prima della sua accensione, Rudolf Diesel voleva sviluppare un tipo di motore più efficiente che potesse funzionare con un carburante molto più pesante. I motori Lenoir , Otto Atmospheric e Otto Compression (entrambi 1861 e 1876) sono stati progettati per funzionare con gas illuminante (gas di carbone) . Con la stessa motivazione di Otto, Diesel voleva creare un motore che desse alle piccole aziende industriali la propria fonte di energia per consentire loro di competere con le aziende più grandi e, come Otto, di sottrarsi all'obbligo di essere legate a una fornitura di carburante municipale . Come Otto, ci sono voluti più di un decennio per produrre il motore ad alta compressione in grado di autoaccendere il carburante spruzzato nel cilindro. Diesel ha usato uno spray d'aria combinato con carburante nel suo primo motore.

Durante lo sviluppo iniziale, uno dei motori scoppiò, quasi uccidendo Diesel. Persistette e alla fine creò un motore di successo nel 1893. Il motore ad alta compressione, che accende il suo carburante con il calore della compressione, è ora chiamato motore diesel, sia a quattro tempi che a due tempi.

Il motore diesel a quattro tempi è stato utilizzato nella maggior parte delle applicazioni pesanti per molti decenni. Utilizza un combustibile pesante che contiene più energia e richiede meno raffinamento per essere prodotto. I motori a ciclo otto più efficienti hanno un'efficienza termica vicina al 30%.

Analisi termodinamica

Quattro tempi Otto ciclo idealizzato diagramma pV : l'  aspirazione (A)  corsa viene effettuata da un isobarica espansione, seguita dalla  compressione (B)  ictus, eseguito come adiabatico compressione. Attraverso la combustione del combustibile si produce un processo isocoro , seguito da un'espansione adiabatica, che caratterizza la corsa di  potenza (C)  . Il ciclo viene chiuso da un processo isocoro e da una compressione isobarica, che caratterizzano la corsa di  scarico (D)  .

L' analisi termodinamica degli effettivi cicli a quattro e due tempi non è un compito semplice. Tuttavia, l'analisi può essere semplificata in modo significativo se vengono utilizzate ipotesi di standard dell'aria. Il ciclo risultante, che ricorda da vicino le condizioni operative reali, è il ciclo Otto.

Durante il normale funzionamento del motore, mentre la miscela aria/carburante viene compressa, si crea una scintilla elettrica per accendere la miscela. A bassi regimi questo si verifica vicino al PMS (Top Dead Center). All'aumentare del numero di giri del motore, la velocità del fronte di fiamma non cambia, quindi il punto di scintilla viene anticipato nel ciclo per consentire una maggiore proporzione del ciclo per la combustione della carica prima che inizi la corsa di potenza. Questo vantaggio si riflette nei vari progetti di motori Otto; il motore atmosferico (non a compressione) lavora al 12% di efficienza mentre il motore a carica compressa ha un'efficienza operativa intorno al 30%.

Considerazioni sul carburante

Un problema con i motori a carica compressa è che l'aumento di temperatura della carica compressa può causare la preaccensione. Se questo avviene nel momento sbagliato ed è troppo energico, può danneggiare il motore. Diverse frazioni di petrolio hanno punti di infiammabilità molto variabili (le temperature alle quali il carburante può autoinfiammarsi). Questo deve essere preso in considerazione nella progettazione del motore e del carburante.

La tendenza della miscela di carburante compressa ad accendersi presto è limitata dalla composizione chimica del carburante. Esistono diversi tipi di carburante per adattarsi ai diversi livelli di prestazioni dei motori. Il carburante viene alterato per cambiare la sua temperatura di autoaccensione. Ci sono diversi modi per farlo. Poiché i motori sono progettati con rapporti di compressione più elevati, il risultato è che è molto più probabile che si verifichi la preaccensione poiché la miscela di carburante viene compressa a una temperatura più elevata prima dell'accensione deliberata. La temperatura più elevata fa evaporare più efficacemente i combustibili come la benzina, il che aumenta l'efficienza del motore a compressione. Rapporti superiori di compressione significa anche che la distanza che il pistone può spingere per produrre energia è maggiore (che è chiamato il rapporto di espansione ).

Il numero di ottano di un determinato carburante è una misura della resistenza del carburante all'autoaccensione. Un carburante con un numero di ottano numerico più elevato consente un rapporto di compressione più elevato, che estrae più energia dal carburante e converte in modo più efficace tale energia in lavoro utile, prevenendo allo stesso tempo danni al motore dovuti alla preaccensione. Il carburante ad alto numero di ottani è anche più costoso.

Molti moderni motori a quattro tempi utilizzano l'iniezione diretta di benzina o GDI. In un motore a benzina a iniezione diretta, l'ugello dell'iniettore sporge nella camera di combustione. L'iniettore di carburante diretto inietta benzina ad altissima pressione nel cilindro durante la corsa di compressione, quando il pistone è più vicino alla sommità.

I motori diesel per loro natura non si preoccupano della preaccensione. Si preoccupano se la combustione può essere avviata o meno. La descrizione della probabilità che il carburante diesel si accenda è chiamata valutazione del cetano. Poiché i combustibili diesel sono a bassa volatilità, possono essere molto difficili da avviare a freddo. Diverse tecniche sono utilizzate per avviare un motore Diesel a freddo, la più comune è l'uso di una candeletta .

Principi di progettazione e ingegneria

Limiti di potenza in uscita

Il ciclo a quattro tempi
1=PMS
2 =PMS
 A: Aspirazione 
 B: Compressione 
 C: Potenza 
 D: Scarico 

La quantità massima di potenza generata da un motore è determinata dalla quantità massima di aria ingerita. La quantità di potenza generata da un motore a pistoni è correlata alle sue dimensioni (volume del cilindro), che si tratti di un motore a due tempi o a quattro tempi, rendimento volumetrico , perdite, rapporto aria-carburante, potere calorifico del carburante, contenuto di ossigeno nell'aria e velocità ( RPM ). La velocità è in definitiva limitata dalla resistenza del materiale e dalla lubrificazione . Valvole, pistoni e bielle subiscono forti forze di accelerazione. A regime motore elevato, rottura fisica e pistone anello sbattimento possono verificarsi, con conseguente perdita di potenza o distruzione motore ancora. Il flutter dell'anello del pistone si verifica quando gli anelli oscillano verticalmente all'interno delle scanalature del pistone in cui risiedono. Il flutter dell'anello compromette la tenuta tra l'anello e la parete del cilindro, causando una perdita di pressione e potenza del cilindro. Se un motore gira troppo velocemente, le molle delle valvole non possono agire abbastanza velocemente da chiudere le valvole. Questo è comunemente indicato come " galleggiante della valvola " e può provocare il contatto tra pistone e valvola, danneggiando gravemente il motore. Alle alte velocità la lubrificazione dell'interfaccia della parete del cilindro del pistone tende a rompersi. Ciò limita la velocità del pistone per i motori industriali a circa 10 m/s.

Portata di aspirazione/scarico

La potenza di uscita di un motore dipende dalla capacità della materia di aspirazione (miscela aria-carburante) e di scarico di muoversi rapidamente attraverso le porte delle valvole, tipicamente situate nella testata . Per aumentare la potenza di uscita di un motore, è possibile rimuovere irregolarità nei percorsi di aspirazione e scarico, come difetti di fusione, e, con l'ausilio di un banco di flusso d'aria , è possibile modificare i raggi delle spire delle luci e la configurazione delle sedi delle valvole per ridurre resistenza. Questo processo è chiamato porting , e può essere fatto a mano o con un CNC macchina.

Recupero del calore residuo di un motore a combustione interna

Un motore a combustione interna è in media in grado di convertire solo il 40-45% dell'energia fornita in lavoro meccanico. Gran parte dell'energia di scarto è sotto forma di calore che viene rilasciato nell'ambiente attraverso refrigerante, alette, ecc. Se in qualche modo il calore di scarto potesse essere catturato e trasformato in energia meccanica, le prestazioni del motore e/o l'efficienza del carburante potrebbero essere migliorate migliorare l'efficienza complessiva del ciclo. È stato riscontrato che anche recuperando il 6% del calore interamente disperso si può aumentare notevolmente l'efficienza del motore.

Sono stati ideati molti metodi per estrarre il calore di scarto dallo scarico di un motore e utilizzarlo ulteriormente per estrarre del lavoro utile, riducendo allo stesso tempo gli inquinanti allo scarico. L'uso del ciclo Rankine , della sovralimentazione e della generazione termoelettrica può essere molto utile come sistema di recupero del calore residuo .

Sovralimentazione

Un modo per aumentare la potenza del motore è forzare più aria nel cilindro in modo da poter produrre più potenza da ogni corsa di potenza. Questo può essere fatto utilizzando un tipo di dispositivo di compressione dell'aria noto come compressore , che può essere alimentato dall'albero a gomiti del motore.

La sovralimentazione aumenta i limiti di potenza di un motore a combustione interna rispetto alla sua cilindrata. Più comunemente, il compressore è sempre in funzione, ma ci sono stati progetti che ne consentono l'esclusione o il funzionamento a velocità variabili (rispetto al regime del motore). La sovralimentazione azionata meccanicamente ha lo svantaggio che parte della potenza in uscita viene utilizzata per azionare il compressore, mentre la potenza viene sprecata nello scarico ad alta pressione, poiché l'aria è stata compressa due volte e quindi guadagna più volume potenziale nella combustione ma viene solo espansa in una fase.

Sovralimentazione

Un turbocompressore è un compressore azionato dai gas di scarico del motore, per mezzo di una turbina . Un turbocompressore è incorporato nel sistema di scarico di un veicolo per utilizzare lo scarico espulso. È costituito da un gruppo turbina ad alta velocità in due pezzi con un lato che comprime l'aria di aspirazione e l'altro lato che è alimentato dal deflusso dei gas di scarico.

Al minimo e a velocità da basse a moderate, la turbina produce poca potenza dal piccolo volume di scarico, il turbocompressore ha scarso effetto e il motore funziona quasi in modo aspirato. Quando è richiesta molta più potenza, la velocità del motore e l'apertura dell'acceleratore vengono aumentate fino a quando i gas di scarico sono sufficienti per "avvolgere" la turbina del turbocompressore per iniziare a comprimere molta più aria del normale nel collettore di aspirazione. Quindi, potenza aggiuntiva (e velocità) viene espulsa attraverso la funzione di questa turbina.

La sovralimentazione consente un funzionamento del motore più efficiente perché è azionato dalla pressione di scarico che altrimenti verrebbe (per lo più) sprecata, ma esiste una limitazione di progettazione nota come turbo lag . L'aumento della potenza del motore non è immediatamente disponibile a causa della necessità di aumentare bruscamente il regime del motore, aumentare la pressione e far girare il turbo, prima che il turbo inizi a fare qualsiasi utile compressione dell'aria. L'aumento del volume di aspirazione provoca un aumento dello scarico e fa girare il turbo più velocemente, e così via fino a raggiungere un funzionamento costante ad alta potenza. Un'altra difficoltà è che la maggiore pressione di scarico fa sì che il gas di scarico trasferisca più calore alle parti meccaniche del motore.

Rapporto stelo e pistone-corsa

Il rapporto asta-a-corsa è il rapporto tra la lunghezza della biella alla lunghezza della corsa del pistone. Uno stelo più lungo riduce la pressione laterale del pistone sulla parete del cilindro e le forze di sollecitazione, aumentando la durata del motore. Aumenta anche il costo e l'altezza e il peso del motore.

Un "motore quadrato" è un motore con un diametro del foro uguale alla sua lunghezza della corsa. Un motore in cui il diametro dell'alesaggio è maggiore della lunghezza della corsa è un motore oversquare , al contrario, un motore con un diametro dell'alesaggio inferiore alla lunghezza della corsa è un motore undersquare.

Treno valvole

Le valvole sono tipicamente azionate da un albero a camme che ruota a metà della velocità dell'albero motore . Ha una serie di camme lungo la sua lunghezza, ciascuna progettata per aprire una valvola durante la parte appropriata di una corsa di aspirazione o di scarico. Una punteria tra valvola e camma è una superficie di contatto su cui scorre la camma per aprire la valvola. Molti motori utilizzano uno o più alberi a camme "sopra" una fila (o ciascuna fila) di cilindri, come nell'illustrazione, in cui ciascuna camma aziona direttamente una valvola attraverso una punteria piatta. In altri modelli di motore l'albero a camme è nel basamento , nel qual caso ogni camma di solito entra in contatto con un puntale , che contatta un bilanciere che apre una valvola, o nel caso di un motore a testa piatta non è necessario un puntale . Il camme in testa design permette tipicamente maggiori velocità del motore perché fornisce il percorso più diretto tra camma e valvola.

Gioco valvole

Il gioco della valvola si riferisce al piccolo spazio tra un alzavalvola e uno stelo della valvola che assicura che la valvola si chiuda completamente. Sui motori con regolazione meccanica delle valvole, un gioco eccessivo provoca rumore dal treno valvole. Un gioco delle valvole troppo piccolo può causare la chiusura non corretta delle valvole. Ciò si traduce in una perdita di prestazioni ed eventualmente in un surriscaldamento delle valvole di scarico. In genere, la distanza deve essere regolata ogni 20.000 miglia (32.000 km) con uno spessimetro.

La maggior parte dei motori di produzione moderni utilizza sollevatori idraulici per compensare automaticamente l'usura dei componenti del treno valvole. L'olio motore sporco può causare guasti al sollevatore.

Bilancio energetico

I motori Otto sono efficienti per circa il 30%; in altre parole, il 30% dell'energia generata dalla combustione viene convertita in energia utile di rotazione all'albero di uscita del motore, mentre il resto viene perso a causa del calore disperso, dell'attrito e degli accessori del motore. Esistono diversi modi per recuperare parte dell'energia persa per il calore disperso. L'uso di un turbocompressore nei motori diesel è molto efficace aumentando la pressione dell'aria in ingresso e, in effetti, fornisce lo stesso aumento delle prestazioni di una maggiore cilindrata. La società Mack Truck, decenni fa, sviluppò un sistema a turbina che convertiva il calore di scarto in energia cinetica che reimmetteva nella trasmissione del motore. Nel 2005, BMW ha annunciato lo sviluppo del turbosteamer , un sistema di recupero del calore a due stadi simile al sistema Mack che recupera l'80% dell'energia nei gas di scarico e aumenta l'efficienza di un motore a scoppio del 15%. Al contrario, un motore a sei tempi può ridurre il consumo di carburante fino al 40%.

I motori moderni sono spesso costruiti intenzionalmente per essere leggermente meno efficienti di quanto potrebbero essere altrimenti. Ciò è necessario per i controlli delle emissioni come il ricircolo dei gas di scarico e i convertitori catalitici che riducono lo smog e altri inquinanti atmosferici. Le riduzioni di efficienza possono essere contrastate con un'unità di controllo del motore utilizzando tecniche di combustione magra .

Negli Stati Uniti, il Corporate Average Fuel Economy impone ai veicoli di raggiungere una media di 34,9 mpg -US (6,7 l/100 km; 41,9 mpg -imp ) rispetto allo standard attuale di 25 mpg -US (9,4 l/100 km ; 30.0 mpg- imp ). Poiché le case automobilistiche cercano di soddisfare questi standard entro il 2016, devono essere presi in considerazione nuovi modi di progettare il tradizionale motore a combustione interna (ICE). Alcune potenziali soluzioni per aumentare l'efficienza del carburante per soddisfare i nuovi requisiti includono l'accensione dopo che il pistone è più lontano dall'albero motore, noto come punto morto superiore , e l'applicazione del ciclo Miller . Insieme, questa riprogettazione potrebbe ridurre significativamente il consumo di carburante e l' NO
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emissioni.

Punto morto superiore, prima dell'inizio del ciclo 1 – Corsa di aspirazione 2 – Corsa di compressione
Posizione di partenza, corsa di aspirazione e corsa di compressione. Accensione del carburante, corsa di potenza e corsa di scarico.
Il carburante si accende 3 – Colpo di forza 4 – Corsa di scarico

Guarda anche

Riferimenti

Fonti generali

  • Hardenberg, Horst O. (1999). Il Medioevo del motore a combustione interna . Società degli ingegneri automobilistici (SAE). ISBN 978-0-7680-0391-8.
  • scienceworld.wolfram.com/physics/OttoCycle.html
  • Cengel, Yunus A; Michael A Boles; Yaling He (2009). Termodinamica Un approccio ingegneristico. Np . Le aziende McGraw Hill. ISBN 978-7-121-08478-2.
  • Benson, Tom (11 luglio 2008). "Motore a combustione interna a 4 tempi" . P. Amministrazione nazionale dell'aeronautica e dello spazio . Estratto il 5 maggio 2011 .

link esterno