martedì 15 dicembre 2009
Motore
Il motore è una macchina capace di trasformare una sorgente di energia, che può essere in forma chimica (in presenza di un combustibile), elettrica o termica, in una energia meccanica o lavoro meccanico continui (i dispositivi capaci di questa trasformazione in modo impulsivo e discontinuo sono detti attuatori; muscoli piezoelettrici, elettrovalvole, relais ecc.).
Indice
Definizione
In senso filosofico, un motore è l'ente che causa il movimento o il cambiamento di altri enti ad esso collegati: Aristotele parlava di "motore immobile", termine ripreso anche da altri filosofi, per indicare la causa prima dell'universo, cioè l'oggetto o il soggetto che (secondo la sua filosofia) stava al principio della catena di cause ed effetti che muoveva il mondo.
In senso lato la parola motore si usa anche in informatica (motore grafico, motore di ricerca, motore database...) per designare un programma che "trasforma" automaticamente e costantemente qualcosa in qualcos'altro. Più precisamente in informatica un motore è un programma che, nel corso del suo normale funzionamento:
non termina mai, a meno di problemi tecnici o che non venga deliberatamente arrestato;
elabora il suo output a partire da un insieme di dati e/o procedure predefiniti;
è pensato per essere usato da altri programmi e non direttamente da esseri umani.
Principi generali
Processo di combustione interna di un motore a combustione a quattro tempi
Motore moderno
Tutti i motori reali fisici, di qualunque genere siano, sono soggetti alle leggi della termodinamica, e dunque tutti forniranno un lavoro totale minore dell'energia contenuta nel combustibile speso per il loro funzionamento. Il rapporto fra il lavoro fornito e l'energia spesa da un particolare motore è il suo rendimento lordo, comprendente la frazione di energia spesa per il funzionamento interno del motore stesso. Esso è sempre inferiore al rendimento termodinamico, il rendimento (non misurato, ma calcolato) per un motore identico considerato "ideale", cioè privo di dissipazione energetica interna.
In particolare, il rendimento dei motori termici dipende strettamente dalla temperatura iniziale e finale del loro ciclo, e per un dato salto di temperatura δT sarà comunque minore di quello del ciclo di Carnot allo stesso δT.
La gran parte dei motori di uso comune sono alternativi e/o rotativi, e producono lavoro sotto forma di una coppia o una forza su un asse; altri producono soltanto una forza lineare.
Storia
Uno dei primi motori come viene inteso oggi fu la macchina a vapore, in cui viene prodotto del vapore d'acqua surriscaldato in una caldaia che poi, espandendosi in un cilindro, produce una spinta su un pistone. Tale moto, reso alternativo con altri accorgimenti meccanici, può essere trasferito a una ruota o ad un volano attraverso un meccanismo biella-manovella. Sul finire del XIX secolo, lo sviluppo del motore a combustione interna rese possibile il grande sviluppo dell'industria automobilistica e, in seguito, la nascita dell'industria aeronautica.
Dopo la seconda guerra mondiale, l'impiego per il volo aeronautico richiesero lo sviluppo dei motori a getto, mentre la nascita del volo spaziale permise il grande sviluppo dei motori a razzo e, in particolare del motore a razzo chimico.
Negli ultimi anni, le esigenze del volo interplanetario stanno guidando la ricerca verso nuove soluzioni, in particolare nel campo dei motori a razzo a propulsione non chimica come le vele spaziali.
Nel campo dei motori per applicazioni automobilistiche, la ricerca è invece fortemente orientata verso soluzioni che riducano i consumi e le emissioni di sostanze inquinanti nell'ambiente.
Classificazione dei motori
Motore elettrico
motore in corrente continua
motore in corrente alternata
motore sincrono
motore asincrono
Motore monofase
Motore trifase
motore brushless
Motore termico
motore a combustione interna
motori volumetrici (il fluido motore agisce in maniera intermittente)
movimento alternativo
Motore ad accensione comandata (vedi anche ciclo Otto e carburazione)
Motore Diesel (vedi anche ciclo Diesel e motore a iniezione)
Motore NEVIS (Ciclo Bortone), si caratterizza per l'assenza dell'uso della biella, sostituita da un sistema camma[1]
Motore a 6 fasi isovolumetrico, si caratterizza per l'assenza dell'uso della biella, sostituita da un sistema camma[2]
Motore a pistoni oscillanti
movimento rotativo
Motore Wankel
Quasiturbina
Motore trochilico
Motore toroidale
Motore Britalus
Motore Wolfhart
motori continui (il fluido motore agisce in maniera continua)
motore a reazione
motore a getto (anche detto esoreattore, utilizzo dell'aria esterna come comburente)
motoreattore
turboreattore
turboventola (o turbofan)
turboalbero
turboelica
propfan
statoreattore
pulsoreattore
motore a razzo (anche endoreattore, comburente interno)
motore a razzo chimico
Aerospike
reazione non chimica
motore a ioni
motore a fotoni
motore a plasma
motore nucleare
motore ad antimateria
motore a combustione esterna
motore a vapore (vedi anche ciclo Rankine)
motore alternativo a vapore
turbina a vapore
motore Stirling
motore rotativo a combustione esterna
Altri tipi di motori
motore idraulico
motore ad aria compressa
motore a molla
motore molecolare (ambito biologico invece che meccanico)
Spie
Diversi simboli di autodiagnosi
I motori termici, soprattutto quelli destinati al trasporto (auto, camion e moto), hanno più spie, di cui:
Autodiagnosi, serve per indicare eventuali avarie del motore
Temperatura, controlla la temperatura massima
Olio, questa spia non è detto che abbia lo stesso significato per qualsiasi tipologia di motore
MOTORE A COMBUSTIONE INTERNA
motore a combustione interna (MCI) o motore endotermico è un particolare motore termico nel quale avviene la combustione di una miscela composta da un carburante (benzina) o un combustibile (gasolio, metano, GPL, cherosene ...) e un comburente (aria) all'interno di una camera di combustione, i quali vengono immessi tramite un impianto d'alimentazione. Il calore prodotto è trasformato in lavoro meccanico, mentre il prodotto della combustione è espulso attraverso un impianto di scarico.
L'invenzione può essere ricondotta ad Eugenio Barsanti e Felice Matteucci che già nel 1853 ne dettagliarono il funzionamento e la costruzione in documenti e brevetti depositati in diversi paesi europei (Gran Bretagna, Francia, Italia e Germania)[1].
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Classificazione [modifica]
La classe dei motori a combustione interna comprende una grande varietà di tipologie diverse. In particolare:
motori volumetrici (il fluido motore agisce in maniera intermittente)
motori a movimento alternativo, in cui il moto alternativo dei pistoni viene trasformato in un moto rotatorio attraverso un manovellismo di spinta rotativa
motori a movimento rotativo
motore Wankel
motori continui (il fluido motore agisce in maniera continua)
turbina a gas
motore a reazione
esoreattore
endoreattore (anche detto motore a razzo)
Nonostante ciò, è oggi consuetudine non considerare all'interno della classe dei motori a combustione interna i motori a reazione, per esigenze di semplificazione della classificazione.
I motori alternativi si suddividono in base al tipo di ciclo termodinamico in
motore ad accensione comandata (vedi anche ciclo Otto)
motore ad accensione spontanea (vedi anche ciclo Diesel)
oppure in base a come viene frazionato il ciclo sul moto alterno in motori
motore a due tempi
Motore ibrido a due/quattro tempi
motore a quattro tempi
motore a sei tempi
È la tipologia di motore che fornisce l'energia a quasi tutti i mezzi di trasporto su gomma, alla maggior parte delle navi ed ad alcuni treni. Viene usato anche su piccoli aerei ad elica e per produrre energia elettrica a bassa tensione.
Principi di funzionamento [modifica]
Tutti i motori a combustione interna si basano sul processo chimico esotermico della combustione: la reazione di un carburante con un comburente, normalmente aria. Vedi anche stechiometria.
I carburanti più utilizzati oggi sono composti da idrocarburi e sono derivati dal petrolio. I più noti sono benzina, gasolio, metano e GPL. 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.
I motori a combustione interna vengono classificati in base al sistema di accensione utilizzato per provocare la combustione in motori ad accensione comandata o ad accensione spontanea.
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 una bobina alimentata da una batteria che può essere ricaricata durante il funzionamento attraverso un alternatore trascinato dal motore. 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 piu facile, chiamato starter.
Nei motori ad accensione spontanea (detti anche motori Diesel) il combustibile viene iniettato nell'aria compressa nei cilindri del motore e la combustione si innesca a causa delle condizioni di pressione e di temperatura dell'aria stessa.
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 (spesso attraverso una valvola di scarico) talvolta dopo essere passati attraverso una turbina a gas che recupera una piccola quantità di energia, comunque sufficiente a comprimere l'aria comburente. Al termine di questa fase il pistone torna nella posizione di punto morto superiore. Tutto il calore non trasformato in lavoro deve essere eliminato dal motore attraverso un sistema di raffreddamento ad aria o a liquido.
Potenza [modifica]
Motore Diesel
Da Wikipedia, l'enciclopedia libera.
(Reindirizzamento da Motore diesel)
Il motore Diesel o motore A.C. è una tipologia di motore a combustione interna, il quale viene alimentato da un impianto d'alimentazione e scarica i prodotti esauriti (gas di scarico) tramite un impianto di scarico. Prende il nome dal suo inventore, il tedesco Rudolf Diesel, che lo brevettò nel 1892.
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Introduzione [modifica]
Nel caso di questo motore l'accensione della miscela aria – combustibile avviene per compressione. In pratica l'aria all'interno del cilindro viene compressa ad elevati valori e in seguito a questa compressione si ha un innalzamento della sua temperatura. L'accensione della miscela avviene quindi spontaneamente proprio a causa di questa elevata temperatura.
Origini del motore Diesel [modifica]
Il brevetto depositato da Rudolf Diesel
Funzionamento [modifica]
Quando un gas viene compresso, la sua temperatura, in base alla legge combinata dei gas, cresce. Nel motore Diesel viene utilizzata questa proprietà per provocare l'accensione spontanea della miscela aria-carburante.
In un motore Diesel con ciclo a quattro tempi l'aria viene immessa nel cilindro, richiamata dal movimento discendente del pistone e attraverso la valvola di aspirazione, dove viene compressa dalla spinta ascendente dello stesso pistone. In questo processo la temperatura può raggiungere valori compresi tra i 700 e i 900 gradi C. Poco prima che il pistone raggiunga il punto morto superiore, il punto di massima salita dello stesso, viene immesso per mezzo di un iniettore il carburante. Si ha poi la combustione e la seguente fase di espansione che riporta il pistone verso il basso generando così la rotazione dell'albero motore, che genererà la forza che, semplificando, permette il movimento del veicolo. Infine si ha la fase di scarico dove i gas combusti vengono espulsi dal cilindro attraverso l'apertura della valvola di scarico. Da notare che è possibile realizzare anche un motore Diesel con ciclo due tempi.
Uno dei primi motori Diesel
Il funzionamento sopra riportato spiega alcune delle caratteristiche che differenziano il motore Diesel da quello a benzina. Per fronteggiare le forze che si creano durante l'intero processo il motore Diesel dovrà avere un rapporto di compressione più elevato di quello di un analogo motore a benzina. Questa necessità influenza anche il peso di un motore Diesel, che sarà maggiore di quello di un motore a benzina di analoga cilindrata, in quanto le parti del motore dovranno essere costruite per resistere a stress più elevati. D'altra parte, proprio per il suo funzionamento, il motore Diesel trae maggiori vantaggi dall'impiego di sistemi di sovralimentazione che effettuano una compressione dell'aria già prima che questa entri nel cilindro.
In questo tipo di motori è di fondamentale importanza il sistema di alimentazione ed in particolare la pompa del combustibile, che regola la quantità dello stesso immessa nei cilindri. Sulla base della quantità di carburante immesso ad ogni regime di rotazione il motore fornisce più o meno potenza in quanto l'aria da questo aspirata è un valore costante che corrisponde sempre al massimo possibile. Nei motori Diesel, a differenza di quelli a benzina, non è possibile agire per gestire l'accensione, e quindi la potenza, direttamente sulla quantità di miscela aria-carburante da immettere nel cilindro ma solo sulla quantità di carburante immesso. Nei primi motori Diesel questo sistema di regolazione era di tipo meccanico con una serie di ingranaggi che prelevavano energia dal motore stesso. Il limite più rilevante era dato dal fatto che l'immissione di carburante era rigidamente collegata con il regime di rotazione del motore stesso. Nei motori moderni l'immissione di carburante è invece regolata attraverso il ricorso all'elettronica. Si hanno quindi dei moduli di controllo elettronici (ECM – Electronic Control Module) o delle unità di controllo (ECU – Electronic Control Unit) che altro non sono che dei piccoli calcolatori montati sul motore. Questi ricevono i dati da una serie di sensori e li utilizzano per calibrare, secondo tabelle (dette anche mappe) memorizzate nell'ECM/ECU, la quantità di carburante da iniettare e il tempo, inteso come momento esatto di immissione, in modo da ottenere sempre il valore ottimale, o il più vicino a questo, per quel determinato regime di rotazione. In questo modo si massimizza il rendimento del motore e se ne abbassano le emissioni. In questo caso il tempo, misurato in unità di angoli di rotazione, assume una importanza critica in quanto sia un ritardo che un anticipo rispetto al momento ottimale comportano dei problemi. Infatti se si anticipa troppo si ritroveranno nei gas di scarico valori rilevanti di ossidi di azoto (NOx) anche se il motore raggiunge una efficienza maggiore dato che la combustione avviene ad una pressione più alta. Un ritardo invece, a causa della combustione incompleta, produce molto particolato (polveri sottili) e fumosità allo scarico oltre a peggiorare l'efficienza del motore. Non esiste un valore ottimale valido per tutti i motori ma ogni motore ne ha uno proprio.
L'iniezione nei motori Diesel [modifica]
Due sono oggi le tipologie di iniezione dei motori Diesel: indiretta e diretta. La prima tipologia, quasi scomparsa dai motori Diesel automobilistici di ultima generazione, era molto utilizzata per la sua semplicità dato che i primi pistoni erano a testa piatta ed era facilitata la sistemazione dell'iniettore. Oggi invece si utilizzano pistoni dal disegno della testa più complessa accoppiati al sistema di iniezione di tipo diretto, adottato per la prima volta in serie dalla Fiat Croma Turbo D i.d.
Iniezione indiretta [modifica]
Per approfondire, vedi la voce Iniezione indiretta.
Nell'iniezione indiretta il gasolio viene iniettato in una precamera di combustione che si trova sulla testata del motore. L'iniettore ha un solo foro di polverizzazione del gasolio. La pressione d'iniezione del gasolio è di circa 150 bar. Nella precamera c'è una candeletta elettrica che serve a facilitare l'avviamento del motore. La candeletta non riscalda l'aria, ma il gasolio e le pareti della precamera di combustione. Con questo sistema si rallenta il ritardo di accensione e si riduce il rumore emesso. Viene ridotto anche lo stress della combustione e quindi le pressioni sui singoli componenti. Si ha però come svantaggio la perdita di calore verso il sistema di raffreddamento e quindi una minore efficienza generale del propulsore.
Iniezione diretta [modifica]
Per approfondire, vedi la voce Iniezione diretta.
Diversi sono i sistemi di iniezione diretta impiegati sui motori Diesel. Per iniezione diretta si intende l'immissione del carburante direttamente nella camera di scoppio (senza precamera quindi). In questo caso il sistema di alimentazione deve operare a pressioni molto più alte del sistema di iniezione indiretta e sono eliminati alcuni di quei componenti che rendevano il motore Diesel particolarmente rumoroso. L'iniezione diretta ha avuto diverse interpretazioni, la più famosa è il sistema denominato Common rail ma esiste anche il sistema ad Iniettore pompa. I primi motori Diesel ad iniezione diretta dotati di pompa rotativa sono ormai scomparsi in virtù delle notevolmente superiori performance dei due sistemi sopracitati.
Tipi di motore Diesel [modifica]
Motori Diesel a due tempi [modifica]
I motori Diesel a due tempi sono di impiego esclusivamente navale, vengono installati su navi mercantili (portacontainer, bulk carrier, petroliere) in accoppiamento con un'elica a passo fisso.
Rispetto ai motori navali a 4 tempi sono generalmente molto più grandi e sviluppano potenze molto maggiori. Attualmente il più grande motore del mondo è il Wärtsilä 14RTFLEX96-C che è il motore principale delle più grandi navi portacontainer del mondo, prodotte dalla danese Maersk. Questo motore sviluppa una potenza di 82 MW e riesce a garantire una velocità di crociera di 25 nodi.
Per approfondire, vedi le voci Ciclo Diesel e Ciclo Sabathé.
Motori Diesel a quattro tempi [modifica]
Ciclo termico di un motore 4T
1=PMS
2=PMI
A: Aspirazione
B: Compressione
C: Espansione
D: Scarico
I motori Diesel a quattro tempi sono quelli maggiormente diffusi nel campo automobilistico, ferroviario, nelle centrali di generazione Diesel-elettrica, nelle imbarcazioni da diporto e nelle navi da crociera, traghetti e piccole navi mercantili.
Per quanto riguarda le tipologie di motori si possono realizzare Diesel con qualunque configurazione di cilindri dato che spesso i problemi ed i vantaggi di una determinata configurazione restano immutati sia che si tratti di motori a benzina o di motori a gasolio. Nelle auto la configurazione più diffusa è quella con quattro cilindri in linea. Si può dire che quasi tutti i motori Diesel sono sovralimentati proprio per sfruttare i vantaggi di questo sistema con questa tipologia di motore. Va detto che in ogni caso per raggiungere uno stesso livello di potenza i motori Diesel, per le loro caratteristiche, devono avere una cilindrata superiore a quella dei motori a benzina. In compenso, sempre a parità di potenza erogata, il motore Diesel vanta una maggiore efficienza (circa il 15%).
Il gasolio arrivava dal serbatoio e il Diesel vi sostava per un bel po’ di tempo dato che si trattava di un serbatoio che in certi casi conteneva più di un litro di gasolio, ma per fortuna, tutti questi sistemi di pre-riscaldamento, con il tempo, vennero banditi a causa dei rischi che comportavano in caso di incidenti.
Pur scomparendo la precamera, anche i sistemi common rail hanno una sorta di preparazione del carburante che avviene nel "condotto comune" (common rail) in cui il gasolio si trova a pressioni altissime ed è pronto per l'iniezione che avviene di conseguenza a pressioni elevatissime.
Gli iniettori devono quindi sopportare pressioni elevatissime ed è stato questo il principale problema tecnico che hanno dovuto affrontare gli ingegneri Fiat. Il completamento del sistema common rail è stato opera della Bosch a cui Fiat cedette il brevetto, pare proprio a causa di questi problemi a livello di iniezione.
L'evoluzione tecnica [modifica]
La prima auto di serie al mondo spinta da un motore alimentato a gasolio fu la Mercedes 260 D del 1936. Il motore Diesel era noto però già da tempo, perché applicato su vasta scala in marina in impianti fissi ancor prima della guerra del 1914-18, e a partire dal 1927 su autocarri ed autobus.
L’attenzione si concentrò, quindi, nello sviluppo di sistemi in grado di ottenere le stesse caratteristiche dei motore Diesel con pre-riscaldamento del carburante senza avere organi di preriscaldamento in quanto avevano grossi problemi di affidabilità. Ecco che si cercò di sviluppare il sistema di compressione in modo da non avere più la necessità di pre-riscaldare il combustibile e per fare sì che l’aria fosse sufficientemente calda per far avvenire la combustione.
Il risultato venne ottenuto riducendo sempre più la camera di combustione, in modo che lo spazio rimanente all’aria nel fine corsa superiore sia il meno possibile, in modo da avere compressioni più elevate.
Ma per fare questo, si dovette adoperare i motori sottoquadri, dove i pistoni avevano una corsa più lunga rispetto l'alesaggio e quindi ci fu la necessità d'appesantire il volano. A questo punto, trovato il modo di comprimere maggiormente l’aria, bisognava solo trovare il modo di vincere la pressione all’interno della camera di combustione, per riuscire ad iniettare il gasolio ad una pressione superiore ai 1 800 bar e da questo momento tutte le varie case motoristiche, hanno ideato sistemi diversi.
A dire il vero, però, prima d'arrivare ad attuare questi sistemi si attese l'arrivo agli anni '50, soprattutto perché, iniettando il gasolio a quella pressione, all’interno della camera di combustione, non si otteneva più una fiamma uniforme ottenendo così una spinta sbilanciata sul pistone che imponeva sforzi anomali alle bielle.
La soluzione a questo problema venne trovata dalla casa motoristica americana Continental che stava studiando il modo di utilizzare il motore Diesel sugli aerei. Il tutto consisteva nel fare un rigonfiamento sulla testata dove veniva costretta l’aria e in quello spazietto rimanente sopra al pistone che era anche la camera di combustione dove c’era anche una candeletta per aiutare la combustione.
L’idea funzionava bene se non che la fiamma non era ancora regolare in quanto l’iniettore era posizionato lateralmente in una parete di questo spazio ridotto sopra alla camera di combustione. Questo sistema era utilizzato soprattutto dalla Caterpillar per mezzi di lavoro e in mezzi blindati.
La Caterpillar, che faceva soltanto motori di grosse cilindrate, ebbe l'idea di mettere 3 iniettori attorno alla camera di combustione per avere una combustione più regolare, il sistema funzionava, se non che si perdeva moltissima compressione a causa dell'aumento del volume della camera di combustione e non si trovava il modo di utilizzare la stessa funzione nei motori di cilindrata più piccola.
Prima che venisse eliminata la pre-camera nei motori Diesel veloci si arrivò agli anni '80 quando la casa tedesca Volkswagen trovò il modo d'iniettare ad elevata pressione il gasolio nel rigonfiamento sulla testata con un sistema di compressori, ma bisognava rinforzare fortemente i vincoli delle bielle a causa della combustione irregolare che imponeva spinte anomale sulla superficie del pistone riducendo così la prontezza di risposta del motore.
Passarono moltissimi anni e si arriva fino agli anni '90 quando la casa italiana Fiat ha l’idea di riportare completamente la camera di combustione all'interno del pistone, eliminando la precamera, e sfruttando le nuove pompe iniezione rotative della Bosch ad alta pressione accoppiate con un iniettore a getti multipli. Tecnicamente fu la Perkins a vincere sul tempo la fiat, ma quest'ultima riuscì a rendere il motore fruibile alla clientela e commercializzarlo in tempi decisamente minori, grazie ad un progetto che non prevedeva inutili complicazioni elettroniche. La cosa fu possibile grazie ad un attento studio delle fluidodinamiche all'interno della camera di combustione (il motore è il blocco da 1 930 cm³denominato DiD e montato sulle Fiat Croma). Le pompe di iniezione rotative però presentavano il problema di una incostante pressione di iniezione, essendo mosse comunque dall'albero a camme del motore. Tale incostanza riduceva il rendimento e aumentava gli inquinanti per incompleta combustione. Si arrivò cosi ad un'idea semplice e molto efficace: immagazzinare in qualche modo il gasolio già in pressione all'interno di un serbatoio. In casa Fiat si usò un tubo comune al cui interno il gasolio era tenuto a pressione costante e che alimentava gli iniettori. Nacque così il common rail che nelle sue successive evoluzioni ha reso possibile la progressiva riduzione delle cilindrate, grazie ad una perfetta gestione dei fenomeni di combustione, possibile in passato solo su motori con cilindrate unitarie grandi.
Qui, la Fiat, che deteneva i diritti su tale invenzione, commise l'errore di vendere il brevetto per il sistema Common-Rail alla Bosch che, però fu in grado di sviluppare le successive evoluzioni di tale sistema, rendendolo sempre competitivo sul mercato. Quasi contemporaneamente, infatti, la casa tedesca Volkswagen, nel 2000, sviluppa un sistema di iniezione diretta denominato iniettore pompa (PDE), rimpicciolendo ciò che era al momento un sistema che riscuoteva molto successo su motori a gasolio di grossa cilindrata usati su trattori per autotrazione (MAN e Mach che equipaggia i trattori del gruppo Renault). Tale sistema presenta il vantaggio di fornire altissime pressioni di iniezione (oltre 2000 bar), anche a regimi bassissimi, permettendo un'ottima nebulizzazione del gasolio, a tutto vantaggio di una combustione uniforme. La controindicazione più importante si presentò però molto presto ed era intrinseca nella progettazione del motore stesso. Mentre il sistema common rail era praticamente applicabile a tutti i motori a gasolio senza doversi sobbarcare costose riprogettazioni dei motori, il sistema iniettore pompa richiedeva una totale rivisitazione delle testate dei motori, costrette ad alloggiare i pesanti iniettori che fungevano anche da pompa, mossi dall'albero a camme o da un albero aggiuntivo (sempre per mezzo di camme). Tale sistema è attualmente ancora usato sui motori del gruppo ma sino ai 2,5 litri di cilindrata. Oltre viene utilizzato il sistema common rail, capace di rispettare le sempre più stringenti normative antinquinamento.
L’evoluzione finale del Common-Rail è nuovamente merito della Fiat che sulla base del Common rail da lei inventato ha sviluppato il sistema di iniezione multi jet che consiste semplicemente nel frazionamento in tante piccole iniezioni della normale iniezione common rail e possono variare nel numero a seconda delle condizioni di necessità (da 2 a 9 iniezioni per ciclo).
Le pluriniezioni sono rese necessarie dal fatto che il gasolio non brucia istantaneamente, ma solo dopo aver raggiunto una certa massa critica, detonando. Tale fenomeno è ciò che ha reso fino ad oggi il motore a gasolio sempre un po' scorbutico e rumoroso (il classico TAC). Riuscendo però a suddividere il quantitativo di gasolio necessario in sempre più piccole dosi iniettati a forti pressioni, rende la combustione quanto più rotonda possibile. Le fasi sono suddivisibili in:
preiniezione: viene iniettata una piccola quantità di gasolio che fa da fiamma pilota per la combustione vera e propria.
iniezione: si sviluppa in vari step successivi, più ne sono e meglio riesce la totale combustione.
postiniezione: viene iniettata una piccola quantità di gasolio a combustione ormai avvenuta in piena fase di espansione. Tale iniezione, è fondamentale nell'abbattimento degli inquinanti da combustione incompleta, che nei motori a gasolio sono di particolare pericolosità.
Grazie a questa evoluzione, il multijet è diventato il motore dal miglior rendimento, ottenendo dei valori di erogazione di coppia motrice costantemente (al di sopra del 90% della coppia massima) nei regimi compresi tra 1500 e 4500 rpm, facendo segnare un nuovo punto di arrivo in termini di allungo per i motori Diesel, che non è cosa comune veder girare a regimi così elevati.
L'ottimo rendimento di questo motore ha attratto molte case Automobilistiche estere verso Fiat, che questa volta, non cedendo il brevetto, ha iniziato a fornire personalmente i motori alle case automobilistiche estere che ne hanno fatto richiesta, in particolare ai marchi che fanno capo all'americana General Motors (come Opel, Suzuki, Cadillac e Saab) nell'ambito di un accordo di fornitura.
Questa è una dimostrazione notevole di successo di un progetto ben fatto. Resta l'amaro in bocca a Fiat per aver lasciato scappare il primo Common-Rail, infatti attualmente più del 90% dei motori Diesel in commercio utilizza la Tecnologia Common-Rail inventata da Fiat, un fatto che sarebbe bene tener presente ogni volta che si parla di Diesel al giorno d'oggi
MOTORI A IDROGENO
Come funziona un motore a idrogeno? L'unione dell'idrogeno e dell'ossigeno da luogo nuovamente all'acqua H2O liberando energia pronta per l'uso. Su questo processo sono basate le "celle a combustibile" (dette fuel cell). Le emissioni di scarto del processo sono assolutamente non inquinanti, trattandosi di acqua calda e vapore acqueo. La tecnologia "fuel cell" potrà essere utilizzata sia sotto forma di motore elettrico per le automobili e i trasporti sia come centrale industriale per la produzione di energia elettrica.
Come funziona una cella a combustibile? Una fuel cell riceve in entrata due flussi: idrogeno dal polo negativo e ossigeno dal polo positivo. Nel momento in cui gli atomi di idrogeno entrano in contatto con il catalizzatore gli elettroni si separano dal nucleo, generando energia elettrica, spostandosi verso il polo positivo dove si uniscono agli atomi di ossigeno caricandoli negativamente. Il processo termina con il passaggio delle molecole di idrogeno (positive) verso quelle di ossigeno (negative) dalla cui reazione chimica si forma l'acqua.
Nel settore della mobilità le case automobilistiche stanno seguendo due diverse strade:
a) motore elettrico "fuel cell"
b) motore a "combustione interna" in grado di utilizzare l'idrogeno come carburante. Questi motori utilizzano l'idrogeno liquido.
In entrambi i casi le emissioni di scarto sono assolutamente non inquinanti. Dal punto di vista progettuale la principale criticità dell'utilizzo dell'idrogeno resta la sua elevata infiammabilità. I serbatoi devono pertanto consentire maggiori standard di sicurezza rispetto ai tradizionali serbatoi diesel o benzina. Nel caso dell'idrogeno liquido i serbatoi devono mantenere il carburante alla temperatura di -253°.
otore elettrico.
Illustrazione di un motore elettrico in corrente continua
Col termine motore elettrico si definisce una macchina elettrica in cui la potenza di ingresso è di tipo elettrico e quella di uscita è di tipo meccanico, assumendo la funzione di attuatore.
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Tipi di motori elettrici [modifica]
La divisione classica è tra motori in corrente continua (DC) e in corrente alternata (AC). Tuttavia non è una classificazione esatta, poiché esistono motori DC che possono essere alimentati anche in AC, chiamati motori universali. Diverse distinzioni si possono fare in base ad altri riferimenti: per esempio, la distinzione tra motori sincroni (nei quali la frequenza di alimentazione è pari o un multiplo della frequenza di rotazione) e asincroni (in cui le due frequenze sono indipendenti); pertanto di solito le categorie in cui si classifica il motore elettrico sono motore asincrono, motore sincrono o motore in corrente continua.
Funzionamento tecnico [modifica]
Particolare di un motore elettrico.
Parti principali
Il motore elettrico, così come l'alternatore sono composti da:
Statore
Rotore
Questi componenti generano un campo magnetico, in alcuni casi anche grazie all'uso di magneti.
Motore in corrente continua [modifica]
Per approfondire, vedi la voce Motore in corrente continua.
Schema del principio di funzionamento
La corrente elettrica passa in un avvolgimento di spire che si trova nel rotore. Questo avvolgimento, composto da fili di rame, crea un campo elettromagnetico al passaggio di corrente. Questo campo elettromagnetico è immerso in un altro campo magnetico creato dallo statore, il quale è caratterizzato dalla presenza di due o più coppie polari (calamite, elettrocalamite, ecc.). Il rotore per induzione elettromagnetica inizia a girare, in quanto il campo magnetico del rotore è attratto dal campo magnetico dello statore e viceversa. Ogni mezzo giro la polarità cambia, in modo da dare continuità alla rotazione. Questo motore è alimentato a corrente continua, ma il sistema delle spazzole fa sì che la polarità all'interno degli avvolgimenti del rotore sia alternato ogni mezzo giro, quindi, tecnicamente, si tratta di un motore in corrente alternata. Durante la trasformazione, una modesta parte dell'energia viene dispersa per l'effetto Joule. Dato il principio di funzionamento, un motore elettrico fa sempre muovere l'albero motore di moto rotatorio; si può ottenere un moto lineare alternato utilizzando un glifo oscillante, componente meccanico che converte appunto il moto rotatorio in rettilineo oscillante.
Tale motore può essere usato anche come generatore elettrico assorbendo energia meccanica, senza subire alcun cambiamento nella sua struttura, permettendo così una sua versatilità molto ampia, che gli permette di passare velocemente e senza accorgimenti esterni rivolti al motore da un funzionamento all'altro.
Motore passo-passo [modifica]
Per approfondire, vedi la voce motore passo-passo.
I motori passo-passo, spesso chiamati anche passo, step o stepper, sono considerati la scelta ideale per tutte quelle applicazioni che richiedono precisione nello spostamento angolare e nella velocità di rotazione, quali la robotica, le montature dei telescopi ed i servomeccanismi in generale. Tuttavia ultimamente, per le applicazioni high-end, vengano spesso sostituiti da motori brushless o da attuatori voice-coil.
Motore senza spazzole [modifica]
Per approfondire, vedi la voce motore brushless.
Il motore brushless è un motore elettrico a magneti permanenti. A differenza di uno a spazzole, non ha bisogno di contatti elettrici striscianti sull'albero motore per funzionare (da qui il nome). La commutazione della corrente circolante negli avvolgimenti, infatti, non avviene più per via meccanica (tramite i contatti striscianti), ma elettronicamente. Ciò comporta una minore resistenza meccanica, elimina la possibilità che si formino scintille al crescere della velocità di rotazione, e riduce notevolmente la necessità di manutenzione periodica.
Motore in corrente alternata [modifica]
Per approfondire, vedi la voce Motore in corrente alternata.
Questo tipo di motore funziona tramite l'alimentazione in corrente alternata e tra questi ricade anche i motore universale che è un motore in corrente continua adattato tramite avvolgimento statorico alla linea alternata.
Motore sincrono [modifica]
Per approfondire, vedi la voce motore sincrono.
È un tipo di motore elettrico in corrente alternata in cui lo statore, generalmente trifase, genera un campo magnetico rotante. Nel rotore è presente un campo magnetico (generato da un magnete permanente o un avvolgimento alimentato in continua) che è attirato dal campo magnetico rotante dello statore, generando la coppia motrice.
Motore asincrono [modifica]
Per approfondire, vedi la voce motore asincrono.
Il motore asincrono è un tipo di motore elettrico in corrente alternata in cui la frequenza di rotazione non è uguale o un sottomultiplo della frequenza di rete, ovvero non è "sincrono" con essa; per questo si distingue dai motori sincroni. Il motore asincrono è detto anche motore ad induzione in virtù del suo principio di funzionamento.
Motore lineare [modifica]
Per approfondire, vedi la voce Motore lineare.
Qualora il raggio del rotore fosse fatto tendere all’infinito, questo diventerebbe una retta (centro del raggio all’infinito) e la macchina assumerebbe una geometria lineare: praticamente lo statore e il rotore vengono come srotolati sul piano.
Questo motore è chiamato motore sincrono lineare e trova applicazione nella trazione ad alta velocità (treno a levitazione magnetica, JR-Maglev) che nella movimentazione di carichi e di pezzi per applicazioni robotizzate e per la realizzazioni di attuatori lineari.
Motore a vapore
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Motore a vapore
Un motore a vapore è un'apparecchiatura atta a produrre energia meccanica utilizzando, in vari modi, vapore d'acqua. In particolare trasforma tramite il vapore energia termica in energia meccanica. Il calore è in genere prodotto con il carbone, ma può anche provenire da legna, idrocarburi o reazioni nucleari.
Indice [nascondi]
1 Storia
2 Descrizione
3 Altri progetti
4 Collegamenti esterni
Storia [modifica]
I primi esperimenti
Già nell'antichità si narra di esperimenti atti a sfruttare l'espansione dei composti dovuta al cambiamento da fase liquida a fase gassosa: in particolare la macchina di Erone, una sfera cava di metallo riempita d'acqua, con bracci tangenziali dotati di foro di uscita: quando si scaldava l'acqua, questa vaporizzava e il vapore usciva dai fori, facendo ruotare la sfera stessa.
Pompa a vapore di Thomas Savery
In tempi più recenti, le prime applicazioni del vapore si possono far risalire agli esperimenti di Denis Papin ed alla sua pentola a pressione del 1679 da cui partì per concepire idee su come sviluppare l' utilizzo del vapore. Le successive applicazioni si sono avute all'inizio del XVIII secolo, soprattutto per il pompaggio dell'acqua dalle miniere, con il sistema ideato nel 1698 da Thomas Savery utilizzando il vuoto creato dalla condensazione del vapore immesso in un recipiente (che permetteva di sollevare acqua fino a circa 10 m di altezza), e in seguito, grazie all'invenzione del sistema cilindro-pistone (probabilmente dovuta a Denis Papin), convertendo in movimento meccanico, in grado di generare lavoro, l'energia del vapore. Il primo esempio di applicazione industriale di questo concetto è la macchina di Newcomen, del 1705, che era però grande, poco potente e costosa, quindi anch'essa veniva in genere usata solo per l'estrazione di acqua dalle miniere. Solo più tardi però, grazie all'invenzione del condensatore esterno, della distribuzione a cassetti e del meccanismo biella-manovella, tutte attribuite a James Watt a partire dal 1765, si e potuti passare da applicazioni sporadiche ad un utilizzo generalizzato nei trasporti e nelle industrie. La macchina di Watt riduceva costi, dimensioni e consumi, e aumentava la potenza disponibile. Dal primo modello con 6CV si è passati in meno di 20 anni a locomotive con 600CV.
Il motore a vapore, consentendo potenze assai maggiori di quelle fino ad allora disponibili (un cavallo da corsa produce massimo 14-15 cavalli-vapore, o circa 8 kW, ma solo per brevi tratti, mentre un cavallo lavorando una giornata non produce più di 1CV), ha svolto un ruolo importante nella rivoluzione industriale.
Lo sviluppo del motore a vapore ha facilitato l'estrazione ed il trasporto del carbone, che a sua volta ha aumentato le potenzialità del motore a vapore.
La seconda applicazione a cui fu usato il motore a vapore fu per muovere il mantice nelle fonderie nel 1776, mentre dal 1787 fu usato anche nelle cotonerie per filare.
L' incidenza del motore a vapore è evidente: la produzione mondiale di carbone passa da 6.000.000 di T del 1769 alle 65.000.000 T del 1819; il ferro (richiesto per l' acciaio) dalle 40.000 T del 1780 alle 700.000 T del 1830.
Nel 1830 vi erano 15.000 motori a vapore in Inghilterra, tra cui 315 piroscafi (vedi: nave a vapore).
Descrizione [modifica]
Motore a vapore in azione
Diagramma che mostra i quattro stadi nel cilindro di un motore alternativA
Animazione di un motore a tripla espansione semplificato. Il vapore ad alta pressione (rosso) entra dalla caldaia, passa attraverso il motore ed è rilasciato al condensatore come vapore a bassa pressione (blu).
Poiché il vapore d'acqua si ottiene invariabilmente somministrando all'acqua liquida energia in forma termica, una parte essenziale del sistema che comprende il motore a vapore è il generatore di vapore, o caldaia. Il vapore viene poi inviato al motore, che può essere di due tipi fondamentali: alternativo o rotativo. Si usa di solito (e impropriamente) la locuzione motore a vapore per i soli motori alternativi, mentre quelli di tipo rotativo vengono definiti turbine.
In quello alternativo (immagine) in genere la ruota azionata muove le valvole che consentono di sfruttare i due lati di ogni pistone, così in ogni tempo avviene un'espansione biolaterale, (mentre i motori a combustione interna hanno in genere un'espansione ogni 4 tempi). A partire dalla seconda metà del 1800 la quasi totalità dei motori a vapore ha utilizzato due, tre e anche quattro cilindri in serie (motori a doppia espansione e tripla espansione, vedi immagine); i diversi stadi lavorano con pressioni di vapore decrescenti in modo da sfruttare meglio la pressione degli scarichi degli stadi precedenti, che contengono ancora una certa potenza. In particolare, la soluzione a tripla espansione fu quella universalmente adottata da tutte le navi della seconda metà dell'800 e dei primi anni del '900. Per esempio il transatlantico Titanic era equipaggiato con due motori a vapore a tripla espansione (uno per ciascuna delle due eliche laterali) a quattro cilindri, uno ad alta pressione, uno a pressione intermedia e due a bassa pressione. Invece l'elica centrale era collegata ad una turbina a vapore mossa dal vapore a bassissima pressione scaricata dai due motori alternativi. Proprio la soluzione a turbina (adottata a cominciare dalle navi militari a partire dal 1905) avrebbe soppiantato completamente in campo marino i motori alternativi prima di essere a sua volta soppiantata dai motori a combustione interna e dalle turbine a gas. Le turbine a vapore rimangono in uso soprattutto nelle centrali elettriche come forza motrice per azionare gli alternatori trifase.
Di fatto oggi il motore a vapore è stato quasi completamente sostituito dai motore a combustione interna, che è più compatto e potente e non richiede la fase di preriscaldamento (per mettere la caldaia in pressione), che si traduce in un ritardo prima di poter utilizzare il motore stesso.
KERS
Nei giorni scorsi, il presidente della FIA Max Mosley ha presentato un nuovo ed innovativo progetto che coinvolge il mondo della Formula 1, il quale è sempre più vicino ai problemi ambientali.
L’annuncio ufficiale è stato dato durante la seduta plenaria dell’International Advanced Mobility Forum, durante il Salone dell’automobile di Ginevra che si è tenuto a metà marzo. Gia da tempo si parla del debutto nel Circus degli eco-veicoli, ossia vetture con un impatto ambientale ridotto. Il KERS potrebbe essere il primo passo di questa evoluzione storica per uno sport come la Formula 1.
Il KERS, acronimo di Kinetic Energy Recovery System ossia Sistema Cinetico di Recupero dell’Energia, è un sistema ibrido che recupera l’energia termica che altrimenti verrebbe dissipata durante la fase di decelerazione e frenata e la trasforma in energia meccanica, garantendo così prestazioni del motore più elevate ed un minor consumo di carburante, con la conseguente diminuzione di produzione di anidride carbonica. La FIA ha disposto che questo meccanismo deve essere presente già dalla prossima stagione su tutte le vetture ed ha imposto dei limiti sul recupero di energia che si otterrà con questo sistema, che non deve superare i 58 kW, mentre l’energia che sarà rilasciata non deve essere maggiore di 400 kJ per giro.
Il KERS è un innovativo dispositivo meccanico compatto, efficiente e realmente poco inquinante. Vediamo come è fatto il KERS. Questo dispositivo è molto semplice e consiste di un volano connesso al sistema di trazione da una trasmissione a rapporto variabile che sfrutta dei comuni ingranaggi. Il volano è costituito da fibre di carbonio avvolte attorno ad una struttura in acciaio del peso di 5 kg. Se si sposta il rapporto verso valori alti, allora il sistema accumulerà energia, per valori di rapporto di trasmissione bassi invece l’energia accumulata verrà rilasciata. Sarà introdotta anche una frizione con lo scopo di separare il sistema di trasmissione dal dispositivo nel caso in cui vengano superati i limiti imposti dal regolamento.
Visto dall’interno, il KERS è costituito da due dischi, uno utilizzato per l’ingresso dell’energia da recuperare (di input) ed uno utilizzato per rilasciare l’energia accumulata (di output), ciascun disco ha forma toroidale (a ciambella) all’interno dei quali passano due o tre cilindri, posizionati in modo tale che il bordo più esterno di ciascuno di essi sia in contatto con la cavità dei dischi di input ed output. Quando il disco di input ruota, il movimento viene trasferito attraverso i cilindri al disco di output, così questo inizia a ruotare con direzione opposta al disco di input.
Il trasferimento vero e proprio del movimento, e di conseguenza della potenza, è affidato ad un sottilissimo film di liquido di trazione ad elevato peso molecolare sviluppato appositamente. Questo liquido è costituito da molecole molto lunghe che, durante il funzionamento dell’apparato, si distendono completamente. Il liquido viene posto tra la superficie interna dei dischi ed i cilindri e su tutte le superfici di contatto tra i cilindri. Lo scopo del liquido di trazione è esattamente l’opposto di quello di un lubrificante: il liquido di trazione deve mantenere “incollati” gli organi, cilindri e dischi, in modo da favorire la trasmissione della maggior quantità possibile di energia cinetica. I due dischi sono inoltre fissati insieme e la pressione che mantiene assieme questi due organi può essere variata, all’aumentare di essa aumenta la viscosità del fluido di trasmissiome, migliorando ulteriormente l’efficienza dell’apparato.
Il pilota deciderà quando utilizzare l’energia accumulata da questo sistema, impostando un adeguato setup di esso. Il modo migliore per utilizzare tale energia potrebbe essere all’inizio di un lungo tratto dritto. Questo sistema non dovrebbe avere alcun effetto sui sorpassi ma ciascun pilota può decidere quando utilizzare questa energia aggiuntiva.
Il motore è una macchina capace di trasformare una sorgente di energia, che può essere in forma chimica (in presenza di un combustibile), elettrica o termica, in una energia meccanica o lavoro meccanico continui (i dispositivi capaci di questa trasformazione in modo impulsivo e discontinuo sono detti attuatori; muscoli piezoelettrici, elettrovalvole, relais ecc.).
Indice
Definizione
In senso filosofico, un motore è l'ente che causa il movimento o il cambiamento di altri enti ad esso collegati: Aristotele parlava di "motore immobile", termine ripreso anche da altri filosofi, per indicare la causa prima dell'universo, cioè l'oggetto o il soggetto che (secondo la sua filosofia) stava al principio della catena di cause ed effetti che muoveva il mondo.
In senso lato la parola motore si usa anche in informatica (motore grafico, motore di ricerca, motore database...) per designare un programma che "trasforma" automaticamente e costantemente qualcosa in qualcos'altro. Più precisamente in informatica un motore è un programma che, nel corso del suo normale funzionamento:
non termina mai, a meno di problemi tecnici o che non venga deliberatamente arrestato;
elabora il suo output a partire da un insieme di dati e/o procedure predefiniti;
è pensato per essere usato da altri programmi e non direttamente da esseri umani.
Principi generali
Processo di combustione interna di un motore a combustione a quattro tempi
Motore moderno
Tutti i motori reali fisici, di qualunque genere siano, sono soggetti alle leggi della termodinamica, e dunque tutti forniranno un lavoro totale minore dell'energia contenuta nel combustibile speso per il loro funzionamento. Il rapporto fra il lavoro fornito e l'energia spesa da un particolare motore è il suo rendimento lordo, comprendente la frazione di energia spesa per il funzionamento interno del motore stesso. Esso è sempre inferiore al rendimento termodinamico, il rendimento (non misurato, ma calcolato) per un motore identico considerato "ideale", cioè privo di dissipazione energetica interna.
In particolare, il rendimento dei motori termici dipende strettamente dalla temperatura iniziale e finale del loro ciclo, e per un dato salto di temperatura δT sarà comunque minore di quello del ciclo di Carnot allo stesso δT.
La gran parte dei motori di uso comune sono alternativi e/o rotativi, e producono lavoro sotto forma di una coppia o una forza su un asse; altri producono soltanto una forza lineare.
Storia
Uno dei primi motori come viene inteso oggi fu la macchina a vapore, in cui viene prodotto del vapore d'acqua surriscaldato in una caldaia che poi, espandendosi in un cilindro, produce una spinta su un pistone. Tale moto, reso alternativo con altri accorgimenti meccanici, può essere trasferito a una ruota o ad un volano attraverso un meccanismo biella-manovella. Sul finire del XIX secolo, lo sviluppo del motore a combustione interna rese possibile il grande sviluppo dell'industria automobilistica e, in seguito, la nascita dell'industria aeronautica.
Dopo la seconda guerra mondiale, l'impiego per il volo aeronautico richiesero lo sviluppo dei motori a getto, mentre la nascita del volo spaziale permise il grande sviluppo dei motori a razzo e, in particolare del motore a razzo chimico.
Negli ultimi anni, le esigenze del volo interplanetario stanno guidando la ricerca verso nuove soluzioni, in particolare nel campo dei motori a razzo a propulsione non chimica come le vele spaziali.
Nel campo dei motori per applicazioni automobilistiche, la ricerca è invece fortemente orientata verso soluzioni che riducano i consumi e le emissioni di sostanze inquinanti nell'ambiente.
Classificazione dei motori
Motore elettrico
motore in corrente continua
motore in corrente alternata
motore sincrono
motore asincrono
Motore monofase
Motore trifase
motore brushless
Motore termico
motore a combustione interna
motori volumetrici (il fluido motore agisce in maniera intermittente)
movimento alternativo
Motore ad accensione comandata (vedi anche ciclo Otto e carburazione)
Motore Diesel (vedi anche ciclo Diesel e motore a iniezione)
Motore NEVIS (Ciclo Bortone), si caratterizza per l'assenza dell'uso della biella, sostituita da un sistema camma[1]
Motore a 6 fasi isovolumetrico, si caratterizza per l'assenza dell'uso della biella, sostituita da un sistema camma[2]
Motore a pistoni oscillanti
movimento rotativo
Motore Wankel
Quasiturbina
Motore trochilico
Motore toroidale
Motore Britalus
Motore Wolfhart
motori continui (il fluido motore agisce in maniera continua)
motore a reazione
motore a getto (anche detto esoreattore, utilizzo dell'aria esterna come comburente)
motoreattore
turboreattore
turboventola (o turbofan)
turboalbero
turboelica
propfan
statoreattore
pulsoreattore
motore a razzo (anche endoreattore, comburente interno)
motore a razzo chimico
Aerospike
reazione non chimica
motore a ioni
motore a fotoni
motore a plasma
motore nucleare
motore ad antimateria
motore a combustione esterna
motore a vapore (vedi anche ciclo Rankine)
motore alternativo a vapore
turbina a vapore
motore Stirling
motore rotativo a combustione esterna
Altri tipi di motori
motore idraulico
motore ad aria compressa
motore a molla
motore molecolare (ambito biologico invece che meccanico)
Spie
Diversi simboli di autodiagnosi
I motori termici, soprattutto quelli destinati al trasporto (auto, camion e moto), hanno più spie, di cui:
Autodiagnosi, serve per indicare eventuali avarie del motore
Temperatura, controlla la temperatura massima
Olio, questa spia non è detto che abbia lo stesso significato per qualsiasi tipologia di motore
MOTORE A COMBUSTIONE INTERNA
motore a combustione interna (MCI) o motore endotermico è un particolare motore termico nel quale avviene la combustione di una miscela composta da un carburante (benzina) o un combustibile (gasolio, metano, GPL, cherosene ...) e un comburente (aria) all'interno di una camera di combustione, i quali vengono immessi tramite un impianto d'alimentazione. Il calore prodotto è trasformato in lavoro meccanico, mentre il prodotto della combustione è espulso attraverso un impianto di scarico.
L'invenzione può essere ricondotta ad Eugenio Barsanti e Felice Matteucci che già nel 1853 ne dettagliarono il funzionamento e la costruzione in documenti e brevetti depositati in diversi paesi europei (Gran Bretagna, Francia, Italia e Germania)[1].
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Classificazione [modifica]
La classe dei motori a combustione interna comprende una grande varietà di tipologie diverse. In particolare:
motori volumetrici (il fluido motore agisce in maniera intermittente)
motori a movimento alternativo, in cui il moto alternativo dei pistoni viene trasformato in un moto rotatorio attraverso un manovellismo di spinta rotativa
motori a movimento rotativo
motore Wankel
motori continui (il fluido motore agisce in maniera continua)
turbina a gas
motore a reazione
esoreattore
endoreattore (anche detto motore a razzo)
Nonostante ciò, è oggi consuetudine non considerare all'interno della classe dei motori a combustione interna i motori a reazione, per esigenze di semplificazione della classificazione.
I motori alternativi si suddividono in base al tipo di ciclo termodinamico in
motore ad accensione comandata (vedi anche ciclo Otto)
motore ad accensione spontanea (vedi anche ciclo Diesel)
oppure in base a come viene frazionato il ciclo sul moto alterno in motori
motore a due tempi
Motore ibrido a due/quattro tempi
motore a quattro tempi
motore a sei tempi
È la tipologia di motore che fornisce l'energia a quasi tutti i mezzi di trasporto su gomma, alla maggior parte delle navi ed ad alcuni treni. Viene usato anche su piccoli aerei ad elica e per produrre energia elettrica a bassa tensione.
Principi di funzionamento [modifica]
Tutti i motori a combustione interna si basano sul processo chimico esotermico della combustione: la reazione di un carburante con un comburente, normalmente aria. Vedi anche stechiometria.
I carburanti più utilizzati oggi sono composti da idrocarburi e sono derivati dal petrolio. I più noti sono benzina, gasolio, metano e GPL. 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.
I motori a combustione interna vengono classificati in base al sistema di accensione utilizzato per provocare la combustione in motori ad accensione comandata o ad accensione spontanea.
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 una bobina alimentata da una batteria che può essere ricaricata durante il funzionamento attraverso un alternatore trascinato dal motore. 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 piu facile, chiamato starter.
Nei motori ad accensione spontanea (detti anche motori Diesel) il combustibile viene iniettato nell'aria compressa nei cilindri del motore e la combustione si innesca a causa delle condizioni di pressione e di temperatura dell'aria stessa.
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 (spesso attraverso una valvola di scarico) talvolta dopo essere passati attraverso una turbina a gas che recupera una piccola quantità di energia, comunque sufficiente a comprimere l'aria comburente. Al termine di questa fase il pistone torna nella posizione di punto morto superiore. Tutto il calore non trasformato in lavoro deve essere eliminato dal motore attraverso un sistema di raffreddamento ad aria o a liquido.
Potenza [modifica]
Motore Diesel
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(Reindirizzamento da Motore diesel)
Il motore Diesel o motore A.C. è una tipologia di motore a combustione interna, il quale viene alimentato da un impianto d'alimentazione e scarica i prodotti esauriti (gas di scarico) tramite un impianto di scarico. Prende il nome dal suo inventore, il tedesco Rudolf Diesel, che lo brevettò nel 1892.
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Introduzione [modifica]
Nel caso di questo motore l'accensione della miscela aria – combustibile avviene per compressione. In pratica l'aria all'interno del cilindro viene compressa ad elevati valori e in seguito a questa compressione si ha un innalzamento della sua temperatura. L'accensione della miscela avviene quindi spontaneamente proprio a causa di questa elevata temperatura.
Origini del motore Diesel [modifica]
Il brevetto depositato da Rudolf Diesel
Funzionamento [modifica]
Quando un gas viene compresso, la sua temperatura, in base alla legge combinata dei gas, cresce. Nel motore Diesel viene utilizzata questa proprietà per provocare l'accensione spontanea della miscela aria-carburante.
In un motore Diesel con ciclo a quattro tempi l'aria viene immessa nel cilindro, richiamata dal movimento discendente del pistone e attraverso la valvola di aspirazione, dove viene compressa dalla spinta ascendente dello stesso pistone. In questo processo la temperatura può raggiungere valori compresi tra i 700 e i 900 gradi C. Poco prima che il pistone raggiunga il punto morto superiore, il punto di massima salita dello stesso, viene immesso per mezzo di un iniettore il carburante. Si ha poi la combustione e la seguente fase di espansione che riporta il pistone verso il basso generando così la rotazione dell'albero motore, che genererà la forza che, semplificando, permette il movimento del veicolo. Infine si ha la fase di scarico dove i gas combusti vengono espulsi dal cilindro attraverso l'apertura della valvola di scarico. Da notare che è possibile realizzare anche un motore Diesel con ciclo due tempi.
Uno dei primi motori Diesel
Il funzionamento sopra riportato spiega alcune delle caratteristiche che differenziano il motore Diesel da quello a benzina. Per fronteggiare le forze che si creano durante l'intero processo il motore Diesel dovrà avere un rapporto di compressione più elevato di quello di un analogo motore a benzina. Questa necessità influenza anche il peso di un motore Diesel, che sarà maggiore di quello di un motore a benzina di analoga cilindrata, in quanto le parti del motore dovranno essere costruite per resistere a stress più elevati. D'altra parte, proprio per il suo funzionamento, il motore Diesel trae maggiori vantaggi dall'impiego di sistemi di sovralimentazione che effettuano una compressione dell'aria già prima che questa entri nel cilindro.
In questo tipo di motori è di fondamentale importanza il sistema di alimentazione ed in particolare la pompa del combustibile, che regola la quantità dello stesso immessa nei cilindri. Sulla base della quantità di carburante immesso ad ogni regime di rotazione il motore fornisce più o meno potenza in quanto l'aria da questo aspirata è un valore costante che corrisponde sempre al massimo possibile. Nei motori Diesel, a differenza di quelli a benzina, non è possibile agire per gestire l'accensione, e quindi la potenza, direttamente sulla quantità di miscela aria-carburante da immettere nel cilindro ma solo sulla quantità di carburante immesso. Nei primi motori Diesel questo sistema di regolazione era di tipo meccanico con una serie di ingranaggi che prelevavano energia dal motore stesso. Il limite più rilevante era dato dal fatto che l'immissione di carburante era rigidamente collegata con il regime di rotazione del motore stesso. Nei motori moderni l'immissione di carburante è invece regolata attraverso il ricorso all'elettronica. Si hanno quindi dei moduli di controllo elettronici (ECM – Electronic Control Module) o delle unità di controllo (ECU – Electronic Control Unit) che altro non sono che dei piccoli calcolatori montati sul motore. Questi ricevono i dati da una serie di sensori e li utilizzano per calibrare, secondo tabelle (dette anche mappe) memorizzate nell'ECM/ECU, la quantità di carburante da iniettare e il tempo, inteso come momento esatto di immissione, in modo da ottenere sempre il valore ottimale, o il più vicino a questo, per quel determinato regime di rotazione. In questo modo si massimizza il rendimento del motore e se ne abbassano le emissioni. In questo caso il tempo, misurato in unità di angoli di rotazione, assume una importanza critica in quanto sia un ritardo che un anticipo rispetto al momento ottimale comportano dei problemi. Infatti se si anticipa troppo si ritroveranno nei gas di scarico valori rilevanti di ossidi di azoto (NOx) anche se il motore raggiunge una efficienza maggiore dato che la combustione avviene ad una pressione più alta. Un ritardo invece, a causa della combustione incompleta, produce molto particolato (polveri sottili) e fumosità allo scarico oltre a peggiorare l'efficienza del motore. Non esiste un valore ottimale valido per tutti i motori ma ogni motore ne ha uno proprio.
L'iniezione nei motori Diesel [modifica]
Due sono oggi le tipologie di iniezione dei motori Diesel: indiretta e diretta. La prima tipologia, quasi scomparsa dai motori Diesel automobilistici di ultima generazione, era molto utilizzata per la sua semplicità dato che i primi pistoni erano a testa piatta ed era facilitata la sistemazione dell'iniettore. Oggi invece si utilizzano pistoni dal disegno della testa più complessa accoppiati al sistema di iniezione di tipo diretto, adottato per la prima volta in serie dalla Fiat Croma Turbo D i.d.
Iniezione indiretta [modifica]
Per approfondire, vedi la voce Iniezione indiretta.
Nell'iniezione indiretta il gasolio viene iniettato in una precamera di combustione che si trova sulla testata del motore. L'iniettore ha un solo foro di polverizzazione del gasolio. La pressione d'iniezione del gasolio è di circa 150 bar. Nella precamera c'è una candeletta elettrica che serve a facilitare l'avviamento del motore. La candeletta non riscalda l'aria, ma il gasolio e le pareti della precamera di combustione. Con questo sistema si rallenta il ritardo di accensione e si riduce il rumore emesso. Viene ridotto anche lo stress della combustione e quindi le pressioni sui singoli componenti. Si ha però come svantaggio la perdita di calore verso il sistema di raffreddamento e quindi una minore efficienza generale del propulsore.
Iniezione diretta [modifica]
Per approfondire, vedi la voce Iniezione diretta.
Diversi sono i sistemi di iniezione diretta impiegati sui motori Diesel. Per iniezione diretta si intende l'immissione del carburante direttamente nella camera di scoppio (senza precamera quindi). In questo caso il sistema di alimentazione deve operare a pressioni molto più alte del sistema di iniezione indiretta e sono eliminati alcuni di quei componenti che rendevano il motore Diesel particolarmente rumoroso. L'iniezione diretta ha avuto diverse interpretazioni, la più famosa è il sistema denominato Common rail ma esiste anche il sistema ad Iniettore pompa. I primi motori Diesel ad iniezione diretta dotati di pompa rotativa sono ormai scomparsi in virtù delle notevolmente superiori performance dei due sistemi sopracitati.
Tipi di motore Diesel [modifica]
Motori Diesel a due tempi [modifica]
I motori Diesel a due tempi sono di impiego esclusivamente navale, vengono installati su navi mercantili (portacontainer, bulk carrier, petroliere) in accoppiamento con un'elica a passo fisso.
Rispetto ai motori navali a 4 tempi sono generalmente molto più grandi e sviluppano potenze molto maggiori. Attualmente il più grande motore del mondo è il Wärtsilä 14RTFLEX96-C che è il motore principale delle più grandi navi portacontainer del mondo, prodotte dalla danese Maersk. Questo motore sviluppa una potenza di 82 MW e riesce a garantire una velocità di crociera di 25 nodi.
Per approfondire, vedi le voci Ciclo Diesel e Ciclo Sabathé.
Motori Diesel a quattro tempi [modifica]
Ciclo termico di un motore 4T
1=PMS
2=PMI
A: Aspirazione
B: Compressione
C: Espansione
D: Scarico
I motori Diesel a quattro tempi sono quelli maggiormente diffusi nel campo automobilistico, ferroviario, nelle centrali di generazione Diesel-elettrica, nelle imbarcazioni da diporto e nelle navi da crociera, traghetti e piccole navi mercantili.
Per quanto riguarda le tipologie di motori si possono realizzare Diesel con qualunque configurazione di cilindri dato che spesso i problemi ed i vantaggi di una determinata configurazione restano immutati sia che si tratti di motori a benzina o di motori a gasolio. Nelle auto la configurazione più diffusa è quella con quattro cilindri in linea. Si può dire che quasi tutti i motori Diesel sono sovralimentati proprio per sfruttare i vantaggi di questo sistema con questa tipologia di motore. Va detto che in ogni caso per raggiungere uno stesso livello di potenza i motori Diesel, per le loro caratteristiche, devono avere una cilindrata superiore a quella dei motori a benzina. In compenso, sempre a parità di potenza erogata, il motore Diesel vanta una maggiore efficienza (circa il 15%).
Il gasolio arrivava dal serbatoio e il Diesel vi sostava per un bel po’ di tempo dato che si trattava di un serbatoio che in certi casi conteneva più di un litro di gasolio, ma per fortuna, tutti questi sistemi di pre-riscaldamento, con il tempo, vennero banditi a causa dei rischi che comportavano in caso di incidenti.
Pur scomparendo la precamera, anche i sistemi common rail hanno una sorta di preparazione del carburante che avviene nel "condotto comune" (common rail) in cui il gasolio si trova a pressioni altissime ed è pronto per l'iniezione che avviene di conseguenza a pressioni elevatissime.
Gli iniettori devono quindi sopportare pressioni elevatissime ed è stato questo il principale problema tecnico che hanno dovuto affrontare gli ingegneri Fiat. Il completamento del sistema common rail è stato opera della Bosch a cui Fiat cedette il brevetto, pare proprio a causa di questi problemi a livello di iniezione.
L'evoluzione tecnica [modifica]
La prima auto di serie al mondo spinta da un motore alimentato a gasolio fu la Mercedes 260 D del 1936. Il motore Diesel era noto però già da tempo, perché applicato su vasta scala in marina in impianti fissi ancor prima della guerra del 1914-18, e a partire dal 1927 su autocarri ed autobus.
L’attenzione si concentrò, quindi, nello sviluppo di sistemi in grado di ottenere le stesse caratteristiche dei motore Diesel con pre-riscaldamento del carburante senza avere organi di preriscaldamento in quanto avevano grossi problemi di affidabilità. Ecco che si cercò di sviluppare il sistema di compressione in modo da non avere più la necessità di pre-riscaldare il combustibile e per fare sì che l’aria fosse sufficientemente calda per far avvenire la combustione.
Il risultato venne ottenuto riducendo sempre più la camera di combustione, in modo che lo spazio rimanente all’aria nel fine corsa superiore sia il meno possibile, in modo da avere compressioni più elevate.
Ma per fare questo, si dovette adoperare i motori sottoquadri, dove i pistoni avevano una corsa più lunga rispetto l'alesaggio e quindi ci fu la necessità d'appesantire il volano. A questo punto, trovato il modo di comprimere maggiormente l’aria, bisognava solo trovare il modo di vincere la pressione all’interno della camera di combustione, per riuscire ad iniettare il gasolio ad una pressione superiore ai 1 800 bar e da questo momento tutte le varie case motoristiche, hanno ideato sistemi diversi.
A dire il vero, però, prima d'arrivare ad attuare questi sistemi si attese l'arrivo agli anni '50, soprattutto perché, iniettando il gasolio a quella pressione, all’interno della camera di combustione, non si otteneva più una fiamma uniforme ottenendo così una spinta sbilanciata sul pistone che imponeva sforzi anomali alle bielle.
La soluzione a questo problema venne trovata dalla casa motoristica americana Continental che stava studiando il modo di utilizzare il motore Diesel sugli aerei. Il tutto consisteva nel fare un rigonfiamento sulla testata dove veniva costretta l’aria e in quello spazietto rimanente sopra al pistone che era anche la camera di combustione dove c’era anche una candeletta per aiutare la combustione.
L’idea funzionava bene se non che la fiamma non era ancora regolare in quanto l’iniettore era posizionato lateralmente in una parete di questo spazio ridotto sopra alla camera di combustione. Questo sistema era utilizzato soprattutto dalla Caterpillar per mezzi di lavoro e in mezzi blindati.
La Caterpillar, che faceva soltanto motori di grosse cilindrate, ebbe l'idea di mettere 3 iniettori attorno alla camera di combustione per avere una combustione più regolare, il sistema funzionava, se non che si perdeva moltissima compressione a causa dell'aumento del volume della camera di combustione e non si trovava il modo di utilizzare la stessa funzione nei motori di cilindrata più piccola.
Prima che venisse eliminata la pre-camera nei motori Diesel veloci si arrivò agli anni '80 quando la casa tedesca Volkswagen trovò il modo d'iniettare ad elevata pressione il gasolio nel rigonfiamento sulla testata con un sistema di compressori, ma bisognava rinforzare fortemente i vincoli delle bielle a causa della combustione irregolare che imponeva spinte anomale sulla superficie del pistone riducendo così la prontezza di risposta del motore.
Passarono moltissimi anni e si arriva fino agli anni '90 quando la casa italiana Fiat ha l’idea di riportare completamente la camera di combustione all'interno del pistone, eliminando la precamera, e sfruttando le nuove pompe iniezione rotative della Bosch ad alta pressione accoppiate con un iniettore a getti multipli. Tecnicamente fu la Perkins a vincere sul tempo la fiat, ma quest'ultima riuscì a rendere il motore fruibile alla clientela e commercializzarlo in tempi decisamente minori, grazie ad un progetto che non prevedeva inutili complicazioni elettroniche. La cosa fu possibile grazie ad un attento studio delle fluidodinamiche all'interno della camera di combustione (il motore è il blocco da 1 930 cm³denominato DiD e montato sulle Fiat Croma). Le pompe di iniezione rotative però presentavano il problema di una incostante pressione di iniezione, essendo mosse comunque dall'albero a camme del motore. Tale incostanza riduceva il rendimento e aumentava gli inquinanti per incompleta combustione. Si arrivò cosi ad un'idea semplice e molto efficace: immagazzinare in qualche modo il gasolio già in pressione all'interno di un serbatoio. In casa Fiat si usò un tubo comune al cui interno il gasolio era tenuto a pressione costante e che alimentava gli iniettori. Nacque così il common rail che nelle sue successive evoluzioni ha reso possibile la progressiva riduzione delle cilindrate, grazie ad una perfetta gestione dei fenomeni di combustione, possibile in passato solo su motori con cilindrate unitarie grandi.
Qui, la Fiat, che deteneva i diritti su tale invenzione, commise l'errore di vendere il brevetto per il sistema Common-Rail alla Bosch che, però fu in grado di sviluppare le successive evoluzioni di tale sistema, rendendolo sempre competitivo sul mercato. Quasi contemporaneamente, infatti, la casa tedesca Volkswagen, nel 2000, sviluppa un sistema di iniezione diretta denominato iniettore pompa (PDE), rimpicciolendo ciò che era al momento un sistema che riscuoteva molto successo su motori a gasolio di grossa cilindrata usati su trattori per autotrazione (MAN e Mach che equipaggia i trattori del gruppo Renault). Tale sistema presenta il vantaggio di fornire altissime pressioni di iniezione (oltre 2000 bar), anche a regimi bassissimi, permettendo un'ottima nebulizzazione del gasolio, a tutto vantaggio di una combustione uniforme. La controindicazione più importante si presentò però molto presto ed era intrinseca nella progettazione del motore stesso. Mentre il sistema common rail era praticamente applicabile a tutti i motori a gasolio senza doversi sobbarcare costose riprogettazioni dei motori, il sistema iniettore pompa richiedeva una totale rivisitazione delle testate dei motori, costrette ad alloggiare i pesanti iniettori che fungevano anche da pompa, mossi dall'albero a camme o da un albero aggiuntivo (sempre per mezzo di camme). Tale sistema è attualmente ancora usato sui motori del gruppo ma sino ai 2,5 litri di cilindrata. Oltre viene utilizzato il sistema common rail, capace di rispettare le sempre più stringenti normative antinquinamento.
L’evoluzione finale del Common-Rail è nuovamente merito della Fiat che sulla base del Common rail da lei inventato ha sviluppato il sistema di iniezione multi jet che consiste semplicemente nel frazionamento in tante piccole iniezioni della normale iniezione common rail e possono variare nel numero a seconda delle condizioni di necessità (da 2 a 9 iniezioni per ciclo).
Le pluriniezioni sono rese necessarie dal fatto che il gasolio non brucia istantaneamente, ma solo dopo aver raggiunto una certa massa critica, detonando. Tale fenomeno è ciò che ha reso fino ad oggi il motore a gasolio sempre un po' scorbutico e rumoroso (il classico TAC). Riuscendo però a suddividere il quantitativo di gasolio necessario in sempre più piccole dosi iniettati a forti pressioni, rende la combustione quanto più rotonda possibile. Le fasi sono suddivisibili in:
preiniezione: viene iniettata una piccola quantità di gasolio che fa da fiamma pilota per la combustione vera e propria.
iniezione: si sviluppa in vari step successivi, più ne sono e meglio riesce la totale combustione.
postiniezione: viene iniettata una piccola quantità di gasolio a combustione ormai avvenuta in piena fase di espansione. Tale iniezione, è fondamentale nell'abbattimento degli inquinanti da combustione incompleta, che nei motori a gasolio sono di particolare pericolosità.
Grazie a questa evoluzione, il multijet è diventato il motore dal miglior rendimento, ottenendo dei valori di erogazione di coppia motrice costantemente (al di sopra del 90% della coppia massima) nei regimi compresi tra 1500 e 4500 rpm, facendo segnare un nuovo punto di arrivo in termini di allungo per i motori Diesel, che non è cosa comune veder girare a regimi così elevati.
L'ottimo rendimento di questo motore ha attratto molte case Automobilistiche estere verso Fiat, che questa volta, non cedendo il brevetto, ha iniziato a fornire personalmente i motori alle case automobilistiche estere che ne hanno fatto richiesta, in particolare ai marchi che fanno capo all'americana General Motors (come Opel, Suzuki, Cadillac e Saab) nell'ambito di un accordo di fornitura.
Questa è una dimostrazione notevole di successo di un progetto ben fatto. Resta l'amaro in bocca a Fiat per aver lasciato scappare il primo Common-Rail, infatti attualmente più del 90% dei motori Diesel in commercio utilizza la Tecnologia Common-Rail inventata da Fiat, un fatto che sarebbe bene tener presente ogni volta che si parla di Diesel al giorno d'oggi
MOTORI A IDROGENO
Come funziona un motore a idrogeno? L'unione dell'idrogeno e dell'ossigeno da luogo nuovamente all'acqua H2O liberando energia pronta per l'uso. Su questo processo sono basate le "celle a combustibile" (dette fuel cell). Le emissioni di scarto del processo sono assolutamente non inquinanti, trattandosi di acqua calda e vapore acqueo. La tecnologia "fuel cell" potrà essere utilizzata sia sotto forma di motore elettrico per le automobili e i trasporti sia come centrale industriale per la produzione di energia elettrica.
Come funziona una cella a combustibile? Una fuel cell riceve in entrata due flussi: idrogeno dal polo negativo e ossigeno dal polo positivo. Nel momento in cui gli atomi di idrogeno entrano in contatto con il catalizzatore gli elettroni si separano dal nucleo, generando energia elettrica, spostandosi verso il polo positivo dove si uniscono agli atomi di ossigeno caricandoli negativamente. Il processo termina con il passaggio delle molecole di idrogeno (positive) verso quelle di ossigeno (negative) dalla cui reazione chimica si forma l'acqua.
Nel settore della mobilità le case automobilistiche stanno seguendo due diverse strade:
a) motore elettrico "fuel cell"
b) motore a "combustione interna" in grado di utilizzare l'idrogeno come carburante. Questi motori utilizzano l'idrogeno liquido.
In entrambi i casi le emissioni di scarto sono assolutamente non inquinanti. Dal punto di vista progettuale la principale criticità dell'utilizzo dell'idrogeno resta la sua elevata infiammabilità. I serbatoi devono pertanto consentire maggiori standard di sicurezza rispetto ai tradizionali serbatoi diesel o benzina. Nel caso dell'idrogeno liquido i serbatoi devono mantenere il carburante alla temperatura di -253°.
otore elettrico.
Illustrazione di un motore elettrico in corrente continua
Col termine motore elettrico si definisce una macchina elettrica in cui la potenza di ingresso è di tipo elettrico e quella di uscita è di tipo meccanico, assumendo la funzione di attuatore.
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Tipi di motori elettrici [modifica]
La divisione classica è tra motori in corrente continua (DC) e in corrente alternata (AC). Tuttavia non è una classificazione esatta, poiché esistono motori DC che possono essere alimentati anche in AC, chiamati motori universali. Diverse distinzioni si possono fare in base ad altri riferimenti: per esempio, la distinzione tra motori sincroni (nei quali la frequenza di alimentazione è pari o un multiplo della frequenza di rotazione) e asincroni (in cui le due frequenze sono indipendenti); pertanto di solito le categorie in cui si classifica il motore elettrico sono motore asincrono, motore sincrono o motore in corrente continua.
Funzionamento tecnico [modifica]
Particolare di un motore elettrico.
Parti principali
Il motore elettrico, così come l'alternatore sono composti da:
Statore
Rotore
Questi componenti generano un campo magnetico, in alcuni casi anche grazie all'uso di magneti.
Motore in corrente continua [modifica]
Per approfondire, vedi la voce Motore in corrente continua.
Schema del principio di funzionamento
La corrente elettrica passa in un avvolgimento di spire che si trova nel rotore. Questo avvolgimento, composto da fili di rame, crea un campo elettromagnetico al passaggio di corrente. Questo campo elettromagnetico è immerso in un altro campo magnetico creato dallo statore, il quale è caratterizzato dalla presenza di due o più coppie polari (calamite, elettrocalamite, ecc.). Il rotore per induzione elettromagnetica inizia a girare, in quanto il campo magnetico del rotore è attratto dal campo magnetico dello statore e viceversa. Ogni mezzo giro la polarità cambia, in modo da dare continuità alla rotazione. Questo motore è alimentato a corrente continua, ma il sistema delle spazzole fa sì che la polarità all'interno degli avvolgimenti del rotore sia alternato ogni mezzo giro, quindi, tecnicamente, si tratta di un motore in corrente alternata. Durante la trasformazione, una modesta parte dell'energia viene dispersa per l'effetto Joule. Dato il principio di funzionamento, un motore elettrico fa sempre muovere l'albero motore di moto rotatorio; si può ottenere un moto lineare alternato utilizzando un glifo oscillante, componente meccanico che converte appunto il moto rotatorio in rettilineo oscillante.
Tale motore può essere usato anche come generatore elettrico assorbendo energia meccanica, senza subire alcun cambiamento nella sua struttura, permettendo così una sua versatilità molto ampia, che gli permette di passare velocemente e senza accorgimenti esterni rivolti al motore da un funzionamento all'altro.
Motore passo-passo [modifica]
Per approfondire, vedi la voce motore passo-passo.
I motori passo-passo, spesso chiamati anche passo, step o stepper, sono considerati la scelta ideale per tutte quelle applicazioni che richiedono precisione nello spostamento angolare e nella velocità di rotazione, quali la robotica, le montature dei telescopi ed i servomeccanismi in generale. Tuttavia ultimamente, per le applicazioni high-end, vengano spesso sostituiti da motori brushless o da attuatori voice-coil.
Motore senza spazzole [modifica]
Per approfondire, vedi la voce motore brushless.
Il motore brushless è un motore elettrico a magneti permanenti. A differenza di uno a spazzole, non ha bisogno di contatti elettrici striscianti sull'albero motore per funzionare (da qui il nome). La commutazione della corrente circolante negli avvolgimenti, infatti, non avviene più per via meccanica (tramite i contatti striscianti), ma elettronicamente. Ciò comporta una minore resistenza meccanica, elimina la possibilità che si formino scintille al crescere della velocità di rotazione, e riduce notevolmente la necessità di manutenzione periodica.
Motore in corrente alternata [modifica]
Per approfondire, vedi la voce Motore in corrente alternata.
Questo tipo di motore funziona tramite l'alimentazione in corrente alternata e tra questi ricade anche i motore universale che è un motore in corrente continua adattato tramite avvolgimento statorico alla linea alternata.
Motore sincrono [modifica]
Per approfondire, vedi la voce motore sincrono.
È un tipo di motore elettrico in corrente alternata in cui lo statore, generalmente trifase, genera un campo magnetico rotante. Nel rotore è presente un campo magnetico (generato da un magnete permanente o un avvolgimento alimentato in continua) che è attirato dal campo magnetico rotante dello statore, generando la coppia motrice.
Motore asincrono [modifica]
Per approfondire, vedi la voce motore asincrono.
Il motore asincrono è un tipo di motore elettrico in corrente alternata in cui la frequenza di rotazione non è uguale o un sottomultiplo della frequenza di rete, ovvero non è "sincrono" con essa; per questo si distingue dai motori sincroni. Il motore asincrono è detto anche motore ad induzione in virtù del suo principio di funzionamento.
Motore lineare [modifica]
Per approfondire, vedi la voce Motore lineare.
Qualora il raggio del rotore fosse fatto tendere all’infinito, questo diventerebbe una retta (centro del raggio all’infinito) e la macchina assumerebbe una geometria lineare: praticamente lo statore e il rotore vengono come srotolati sul piano.
Questo motore è chiamato motore sincrono lineare e trova applicazione nella trazione ad alta velocità (treno a levitazione magnetica, JR-Maglev) che nella movimentazione di carichi e di pezzi per applicazioni robotizzate e per la realizzazioni di attuatori lineari.
Motore a vapore
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Motore a vapore
Un motore a vapore è un'apparecchiatura atta a produrre energia meccanica utilizzando, in vari modi, vapore d'acqua. In particolare trasforma tramite il vapore energia termica in energia meccanica. Il calore è in genere prodotto con il carbone, ma può anche provenire da legna, idrocarburi o reazioni nucleari.
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1 Storia
2 Descrizione
3 Altri progetti
4 Collegamenti esterni
Storia [modifica]
I primi esperimenti
Già nell'antichità si narra di esperimenti atti a sfruttare l'espansione dei composti dovuta al cambiamento da fase liquida a fase gassosa: in particolare la macchina di Erone, una sfera cava di metallo riempita d'acqua, con bracci tangenziali dotati di foro di uscita: quando si scaldava l'acqua, questa vaporizzava e il vapore usciva dai fori, facendo ruotare la sfera stessa.
Pompa a vapore di Thomas Savery
In tempi più recenti, le prime applicazioni del vapore si possono far risalire agli esperimenti di Denis Papin ed alla sua pentola a pressione del 1679 da cui partì per concepire idee su come sviluppare l' utilizzo del vapore. Le successive applicazioni si sono avute all'inizio del XVIII secolo, soprattutto per il pompaggio dell'acqua dalle miniere, con il sistema ideato nel 1698 da Thomas Savery utilizzando il vuoto creato dalla condensazione del vapore immesso in un recipiente (che permetteva di sollevare acqua fino a circa 10 m di altezza), e in seguito, grazie all'invenzione del sistema cilindro-pistone (probabilmente dovuta a Denis Papin), convertendo in movimento meccanico, in grado di generare lavoro, l'energia del vapore. Il primo esempio di applicazione industriale di questo concetto è la macchina di Newcomen, del 1705, che era però grande, poco potente e costosa, quindi anch'essa veniva in genere usata solo per l'estrazione di acqua dalle miniere. Solo più tardi però, grazie all'invenzione del condensatore esterno, della distribuzione a cassetti e del meccanismo biella-manovella, tutte attribuite a James Watt a partire dal 1765, si e potuti passare da applicazioni sporadiche ad un utilizzo generalizzato nei trasporti e nelle industrie. La macchina di Watt riduceva costi, dimensioni e consumi, e aumentava la potenza disponibile. Dal primo modello con 6CV si è passati in meno di 20 anni a locomotive con 600CV.
Il motore a vapore, consentendo potenze assai maggiori di quelle fino ad allora disponibili (un cavallo da corsa produce massimo 14-15 cavalli-vapore, o circa 8 kW, ma solo per brevi tratti, mentre un cavallo lavorando una giornata non produce più di 1CV), ha svolto un ruolo importante nella rivoluzione industriale.
Lo sviluppo del motore a vapore ha facilitato l'estrazione ed il trasporto del carbone, che a sua volta ha aumentato le potenzialità del motore a vapore.
La seconda applicazione a cui fu usato il motore a vapore fu per muovere il mantice nelle fonderie nel 1776, mentre dal 1787 fu usato anche nelle cotonerie per filare.
L' incidenza del motore a vapore è evidente: la produzione mondiale di carbone passa da 6.000.000 di T del 1769 alle 65.000.000 T del 1819; il ferro (richiesto per l' acciaio) dalle 40.000 T del 1780 alle 700.000 T del 1830.
Nel 1830 vi erano 15.000 motori a vapore in Inghilterra, tra cui 315 piroscafi (vedi: nave a vapore).
Descrizione [modifica]
Motore a vapore in azione
Diagramma che mostra i quattro stadi nel cilindro di un motore alternativA
Animazione di un motore a tripla espansione semplificato. Il vapore ad alta pressione (rosso) entra dalla caldaia, passa attraverso il motore ed è rilasciato al condensatore come vapore a bassa pressione (blu).
Poiché il vapore d'acqua si ottiene invariabilmente somministrando all'acqua liquida energia in forma termica, una parte essenziale del sistema che comprende il motore a vapore è il generatore di vapore, o caldaia. Il vapore viene poi inviato al motore, che può essere di due tipi fondamentali: alternativo o rotativo. Si usa di solito (e impropriamente) la locuzione motore a vapore per i soli motori alternativi, mentre quelli di tipo rotativo vengono definiti turbine.
In quello alternativo (immagine) in genere la ruota azionata muove le valvole che consentono di sfruttare i due lati di ogni pistone, così in ogni tempo avviene un'espansione biolaterale, (mentre i motori a combustione interna hanno in genere un'espansione ogni 4 tempi). A partire dalla seconda metà del 1800 la quasi totalità dei motori a vapore ha utilizzato due, tre e anche quattro cilindri in serie (motori a doppia espansione e tripla espansione, vedi immagine); i diversi stadi lavorano con pressioni di vapore decrescenti in modo da sfruttare meglio la pressione degli scarichi degli stadi precedenti, che contengono ancora una certa potenza. In particolare, la soluzione a tripla espansione fu quella universalmente adottata da tutte le navi della seconda metà dell'800 e dei primi anni del '900. Per esempio il transatlantico Titanic era equipaggiato con due motori a vapore a tripla espansione (uno per ciascuna delle due eliche laterali) a quattro cilindri, uno ad alta pressione, uno a pressione intermedia e due a bassa pressione. Invece l'elica centrale era collegata ad una turbina a vapore mossa dal vapore a bassissima pressione scaricata dai due motori alternativi. Proprio la soluzione a turbina (adottata a cominciare dalle navi militari a partire dal 1905) avrebbe soppiantato completamente in campo marino i motori alternativi prima di essere a sua volta soppiantata dai motori a combustione interna e dalle turbine a gas. Le turbine a vapore rimangono in uso soprattutto nelle centrali elettriche come forza motrice per azionare gli alternatori trifase.
Di fatto oggi il motore a vapore è stato quasi completamente sostituito dai motore a combustione interna, che è più compatto e potente e non richiede la fase di preriscaldamento (per mettere la caldaia in pressione), che si traduce in un ritardo prima di poter utilizzare il motore stesso.
KERS
Nei giorni scorsi, il presidente della FIA Max Mosley ha presentato un nuovo ed innovativo progetto che coinvolge il mondo della Formula 1, il quale è sempre più vicino ai problemi ambientali.
L’annuncio ufficiale è stato dato durante la seduta plenaria dell’International Advanced Mobility Forum, durante il Salone dell’automobile di Ginevra che si è tenuto a metà marzo. Gia da tempo si parla del debutto nel Circus degli eco-veicoli, ossia vetture con un impatto ambientale ridotto. Il KERS potrebbe essere il primo passo di questa evoluzione storica per uno sport come la Formula 1.
Il KERS, acronimo di Kinetic Energy Recovery System ossia Sistema Cinetico di Recupero dell’Energia, è un sistema ibrido che recupera l’energia termica che altrimenti verrebbe dissipata durante la fase di decelerazione e frenata e la trasforma in energia meccanica, garantendo così prestazioni del motore più elevate ed un minor consumo di carburante, con la conseguente diminuzione di produzione di anidride carbonica. La FIA ha disposto che questo meccanismo deve essere presente già dalla prossima stagione su tutte le vetture ed ha imposto dei limiti sul recupero di energia che si otterrà con questo sistema, che non deve superare i 58 kW, mentre l’energia che sarà rilasciata non deve essere maggiore di 400 kJ per giro.
Il KERS è un innovativo dispositivo meccanico compatto, efficiente e realmente poco inquinante. Vediamo come è fatto il KERS. Questo dispositivo è molto semplice e consiste di un volano connesso al sistema di trazione da una trasmissione a rapporto variabile che sfrutta dei comuni ingranaggi. Il volano è costituito da fibre di carbonio avvolte attorno ad una struttura in acciaio del peso di 5 kg. Se si sposta il rapporto verso valori alti, allora il sistema accumulerà energia, per valori di rapporto di trasmissione bassi invece l’energia accumulata verrà rilasciata. Sarà introdotta anche una frizione con lo scopo di separare il sistema di trasmissione dal dispositivo nel caso in cui vengano superati i limiti imposti dal regolamento.
Visto dall’interno, il KERS è costituito da due dischi, uno utilizzato per l’ingresso dell’energia da recuperare (di input) ed uno utilizzato per rilasciare l’energia accumulata (di output), ciascun disco ha forma toroidale (a ciambella) all’interno dei quali passano due o tre cilindri, posizionati in modo tale che il bordo più esterno di ciascuno di essi sia in contatto con la cavità dei dischi di input ed output. Quando il disco di input ruota, il movimento viene trasferito attraverso i cilindri al disco di output, così questo inizia a ruotare con direzione opposta al disco di input.
Il trasferimento vero e proprio del movimento, e di conseguenza della potenza, è affidato ad un sottilissimo film di liquido di trazione ad elevato peso molecolare sviluppato appositamente. Questo liquido è costituito da molecole molto lunghe che, durante il funzionamento dell’apparato, si distendono completamente. Il liquido viene posto tra la superficie interna dei dischi ed i cilindri e su tutte le superfici di contatto tra i cilindri. Lo scopo del liquido di trazione è esattamente l’opposto di quello di un lubrificante: il liquido di trazione deve mantenere “incollati” gli organi, cilindri e dischi, in modo da favorire la trasmissione della maggior quantità possibile di energia cinetica. I due dischi sono inoltre fissati insieme e la pressione che mantiene assieme questi due organi può essere variata, all’aumentare di essa aumenta la viscosità del fluido di trasmissiome, migliorando ulteriormente l’efficienza dell’apparato.
Il pilota deciderà quando utilizzare l’energia accumulata da questo sistema, impostando un adeguato setup di esso. Il modo migliore per utilizzare tale energia potrebbe essere all’inizio di un lungo tratto dritto. Questo sistema non dovrebbe avere alcun effetto sui sorpassi ma ciascun pilota può decidere quando utilizzare questa energia aggiuntiva.
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