Quando parliamo di un motore a scoppio, il ciclo di funzionamento considerato basilare è il classico “Ciclo Otto”. A questo si rifanno infatti la quasi totalità dei propulsori alimentati a benzina e le loro varianti a gas, metano, alcool e via dicendo.
Il ciclo non dipende dal numero o dalla disposizione dei cilindri, in quanto accomuna propulsori da uno a 12 o più cilindri in linea, a V o contrapposti. Definisce invece le fasi del suo funzionamento, ossia le “operazioni” che il motore svolge per completare il processo che gli permette di generare energia dal combustibile.
Curiosità e cenni storici
Chissà se nel lontano 1853, più precisamente il 6 giugno, all’accademia dei Georgofili di Firenze si erano resi conto della rivoluzionaria importanza che il documento presentato loro avrebbe avuto per l’umanità intera. Fu in questo luogo infatti che Eugenio Barsanti e Felice Matteucci depositarono il primo documento ufficiale relativo ad un motore a scoppio. Una macchina in grado di trasformare l’energia data dallo scoppio di una miscela di aria ed idrocarburi in energia meccanica.
Tuttavia è il nome dell’ingegnere tedesco Nikolaus August Otto che rimane impresso ad eterna memoria come “padre” del motore a combustione interna. A lui si deve infatti il brevetto del più celebre cicli termodinamici che ne caratterizza il funzionamento, il ciclo “Otto”. A onor del vero, il suo perfezionamento e la conseguente diffusione si deve ad altri due pionieri dell’autotrasporto, Gottlieb Daimler e Wilhelm Maybach.
Come funziona
Che si tratti di un motore a due tempi (il ciclo si completa in una rotazione dell’albero motore) o di un motore a quattro tempi (due rotazioni dell’albero motore), le fasi che descrivono macroscopicamente il principio di funzionamento di un motore a ciclo “Otto” sono sempre le stesse, e sono quattro: compressione-scoppio-espansione-scarico.
Di seguito verrà descritto il ciclo ideale applicato ad un motore a quattro tempi.
- Fase di aspirazione (0-1):
Il pistone si trova al Punto Morto Superiore (PMS), la valvola di aspirazione è idealmente già aperta. Grazie al movimento del pistone verso il Punto Morto Inferiore all’interno del cilindro viene immessa la miscela di aria/benzina. Il ciclo ideale prevede che questa fase sia isobara.
- Fase di compressione: (1-2):
Il pistone percorre il percorso inverso (da PMI a PMS) comprimendo l’aria affinché la pressione in camera di combustione aumenti (ma non troppo, vedremo di seguito il perché). Le valvole di aspirazione e scarico sono idealmente chiuse, la fase è teoricamente adiabatica.
- Fase di scoppio (2-3)
Il pistone si trova al PMS, l’innesco della miscela avviene tramite una scintilla generata dalla candela. Le valvole di aspirazione e scarico sono chiuse, il ciclo ideale prevede che questa fase sia istantanea, a volume costante (isocora).
- Fase di espansione (3-4)
Spinto verso il basso dall’enorme energia generata dalla combustione (si superano i 40 bar di pressione, come se ci trovassimo a 400 metri sott’acqua circa) il pistone raggiunge il PMI. Il ciclo ideale prevede che questa trasformazione sia adiabatica.
- Fase di scarico (4-5 e 5-0)
In una prima fase i gas di scarico, i “prodotti della combustione”, fuoriescono tramite l’apposita valvola poiché la pressione all’interno del cilindro è maggiore della pressione atmosferica (fase idealmente isocora). Successivamente il pistone, risalendo verso il PMS, forza i gas ad uscire. Questa fase idealmente è isobara.
È stata spesso usata la parola “ideale” perché il ciclo “reale” (tecnicamente di definisce indicato) presenta alcune differenze che vanno a discapito di quest’ultimo. Nei motori installati sui nostri veicoli le fasi adiabatiche sono in realtà politropiche (cessione di energia sottoforma di calore), le isobare e le isocore non sono a pressione e volume costante a causa dell’inerzia che caratterizza i sistemi meccanici. La differenza tra ciclo reale ed ideale (giallo VS grigio nel disegno qui sopra) si definisce rendimento, fortemente penalizzato nel caso “reale”.
Pro e Contro
I motori endotermici a ciclo otto hanno il grande vantaggio rispetto ai principali “concorrenti” (motori endotermici a ciclo diesel) di poter raggiungere frequenze di rotazione più elevate, a tutto vantaggio della potenza specifica. Sono inoltre più leggeri e con più semplici accorgimenti posso funzionare con carburanti alternativi (metano/GPL).
Il principale aspetto penalizzante i motori a ciclo “otto” è l’impossibilità di realizzare rapporti di compressione molto elevati. Pena, l’innesco della miscela aria/benzina in modo incontrollato a discapito del rendimento.
