Motori Automobilistici: Struttura, Funzionamento e Sistemi Essenziali

Definizione e Classificazione dei Motori

Un motore è una macchina che trasforma energia. Il motore di un'auto moderna trasforma l'energia chimica immagazzinata nel combustibile o l'energia elettrica immagazzinata in una batteria, in energia meccanica. I motori generalmente utilizzati nelle auto sono motori termici a combustione interna: a esplosione (che usano benzina) o a combustione (che usano gasolio). Esiste anche il motore elettrico, che utilizza l'energia elettrica immagazzinata in una batteria di accumulo.

Motori a Combustione Interna: Tipologie

I motori a combustione interna possono essere classificati in base alla forma di accensione:

• Motori ad accensione comandata (a scintilla): La combustione avviene grazie all'intervento di una scintilla. Questi sono comunemente chiamati motori a benzina o a esplosione.
• Motori ad accensione spontanea: La combustione è caratterizzata da auto-accensione, che avviene a causa delle alte temperature raggiunte per effetto della compressione. Questi sono chiamati motori diesel o a combustione.

Generalmente, i motori utilizzati nei veicoli leggeri sono a esplosione, mentre nei veicoli pesanti sono utilizzati motori a combustione, a causa dei minori consumi e della maggiore durata. Possono essere di due tipi: alternativi e rotativi. I più utilizzati sono quelli alternativi, mentre i motori rotativi (Wankel) sono meno comuni.

Elementi Costitutivi del Motore

Gli elementi che compongono il motore sono comuni alle due tipologie esistenti: a esplosione e a combustione. Attualmente, grazie ai progressi nei materiali, sono state raggiunte grandi resistenze con pesi ridotti. Questi elementi possono essere suddivisi in due gruppi: fissi e mobili.

Elementi Fissi del Motore

Gli elementi fissi, in ordine di importanza, sono quelli che costituiscono l'intelaiatura e la struttura esterna del motore, la cui missione è quella di alloggiare, proteggere e coprire gli elementi dell'insieme. Si tratta del blocco cilindri, della testata del cilindro, del carter e del coperchio delle punterie.

Blocco Cilindri

È l'elemento principale del motore. Si possono distinguere due parti: il cilindro (C) e il basamento (B) o carter superiore (Fig. 1). I cilindri sono cavità cilindriche dove il pistone si muove con un movimento lineare alternato tra due posizioni estreme: Punto Morto Superiore (PMS) e Punto Morto Inferiore (PMI). I cilindri possono essere parte dello stesso blocco o indipendenti da esso. Inoltre, il blocco è progettato per ospitare:

• La pompa del liquido refrigerante.
• I condotti per la circolazione del raffreddamento e della lubrificazione.
• Il supporto dell'albero motore e dell'albero a camme.
• Gli accoppiamenti del distributore di accensione, del filtro olio e della pompa del carburante.

Basamento o Carter Superiore (B) (Fig. 2)

È la parte inferiore del blocco, destinata ad ospitare e sostenere l'albero motore. Esistono tre tipi di blocchi in base al montaggio e al fissaggio dei cilindri:

• Blocco Integrato (Fig. 3)

  È un pezzo unico, con le camere per il liquido refrigerante. I cilindri sono ottenuti in fase di fusione, quindi rifiniti tramite lavorazione meccanica per ottenere una finitura perfetta. Con questo sistema, il cilindro fuso inizialmente (in ghisa) presenta una finitura grezza che richiede successiva lavorazione per ottenere la perfezione. In caso di usura eccessiva sulle pareti di un cilindro, è necessario alesare tutti i cilindri a una misura superiore e sostituire pistoni, spinotti e fasce elastiche con diametro maggiore, per ripristinare un accoppiamento perfetto tra pistone e cilindro.

• Blocco con Camicie Secche (Fig. 4)

  In questo tipo di blocco, i cilindri sono lavorati come nel caso precedente, ma alloggiano, a pressione, altre camicie cilindro (C) (in acciaio o ghisa) con pareti più sottili, chiamate liners, che in questo caso non sono in contatto con il sistema di raffreddamento a liquido, rendendo il raffreddamento della parte del cilindro più difficile. Il vantaggio principale è che, quando si verifica usura, queste camicie possono essere sostituite con nuove delle stesse dimensioni dell'originale, conservando così il diametro dei pistoni originali.

• Blocco con Camicie Umide (Fig. 5)

  Il blocco è completamente cavo e le camicie (C) non sono inserite a pressione, ma si appoggiano al blocco formando le camere d'acqua, essendo a contatto diretto con l'acqua di raffreddamento. Questo blocco è quello che offre un migliore raffreddamento, con lo svantaggio della difficoltà nel mantenere la tenuta delle camicie. La tenuta del montaggio o la regolazione è garantita da un anello (J) speciale in gomma sintetica o rame sul fondo, e un altro nella parte superiore. Il montaggio non presenta alcuna difficoltà. L'uso delle camicie permette l'impiego di leghe leggere nella produzione dei blocchi, con una significativa riduzione del peso.

Testata del Cilindro (Fig. 6)

La testata del cilindro è montata sulla parte superiore del blocco, fungendo da coperchio e chiudendo i cilindri, formando la camera di combustione. Al suo interno ci sono dei vuoti (L) per far circolare il liquido refrigerante, che sono connessi e di fronte alle camere d'acqua del blocco. Nella parte inferiore della testata, si trovano le cavità che formano la camera di combustione (C). Al loro interno, ci sono i fori per alloggiare valvole e sedi valvole, la candela (B) o l'iniettore (dove presente un foro di iniezione). Presenta anche le guide valvole e i fori per il fissaggio al blocco tramite viti o prigionieri. Dispone inoltre di canali (D-E) per l'ingresso e l'uscita dei gas, per il montaggio dei collettori (aspirazione e scarico) e per il passaggio dell'olio. A seconda del tipo di motore in questione, esistono testate per motori a quattro tempi o a due tempi. Il materiale utilizzato per la fabbricazione è la ghisa o la lega di alluminio. Queste ultime sono le più utilizzate. Si classificano come segue:

• Testate per motori con valvole laterali.
• Testate per motori con valvole in testa e albero a camme laterale.
• Testate con valvole e alberi a camme in testa.
• Testate per motore a due tempi.

In aggiunta alla tipologia citata, si aggiungono i supporti (S) dell'albero a camme, rendendo la sua produzione molto più complessa e costosa. Oggi è il sistema più usato perché il controllo della distribuzione è notevolmente semplificato raggruppando tutti i componenti in uno spazio molto ridotto e eliminando le punterie (aste).

Guarnizione della Testata

Il blocco è chiuso superiormente dalla testata del cilindro, formando la camera dove si sviluppa il ciclo di combustione. Tra le due superfici è collocata una guarnizione, chiamata guarnizione della testata. La sua missione è quella di mantenere la tenuta tra le superfici del blocco e della testata del cilindro e impedire che i gas di combustione entrino nel circuito di raffreddamento. Inoltre, in caso di danneggiamento della guarnizione, il liquido refrigerante potrebbe passare nel carter inferiore e mescolarsi con l'olio, o l'olio potrebbe finire nel serbatoio di espansione del refrigerante. È fatta di un materiale a base di grafite e adattabile, che è resistente alle alte temperature e alle deformazioni. La guarnizione presenta fori corrispondenti a tutti i passaggi presenti sulla testata e sul blocco, sulle loro superfici di contatto.

Potenza e Coppia del Motore

V = (pi x D2 / 4) x strada

Rc = (V + vc) / vc

Potenza

È il lavoro prodotto da una forza nell'unità di tempo. La potenza è misurata in cavalli vapore (HP) o chilowatt e dipende da:

• Lo spostamento (cilindrata).
• Il rapporto di compressione.
• Il regime di giri del motore fino a un certo limite.
• Il riempimento dei cilindri o rapporto volumetrico.

Anche se tutti questi fattori influenzano o determinano la potenza di un motore, il più influente di questi è il regime di rotazione, che determina il numero di giri a cui si raggiunge la potenza massima.

Coppia Motrice

È la forza applicata sulla manovella e sul gomito dell'albero motore. La coppia aumenta fino a raggiungere il valore massimo a un regime di giri inferiore rispetto a quello di potenza massima. Da questo punto, se il regime continua ad aumentare, la coppia del motore diminuisce, a causa della riduzione del riempimento dei cilindri. Il grado di riempimento dei cilindri varia a seconda del regime di giri del motore. Così il riempimento del cilindro inizia a diminuire quando si supera circa la metà del regime massimo del motore, a causa del tempo limitato per il riempimento dopo l'apertura della valvola. Il miglior riempimento del cilindro si ottiene a circa metà del regime che fornisce la potenza massima, ottenendo così la coppia massima. La Figura 30 mostra le curve di potenza e coppia in funzione dei giri al minuto.

Proprietà dell'Olio Lubrificante

• Viscosità: È la resistenza del flusso di olio attraverso un condotto. La viscosità è misurata con una scala (SAE), che indica l'indice di viscosità.
• Adesione: È la capacità dell'olio di aderire alle superfici.
• Grado di acidità: La percentuale di acido contenuta nell'olio. Questo grado deve essere molto basso per evitare la corrosione e non deve superare lo 0,03%.
• Grado di ceneri: La percentuale di ceneri nell'olio non deve superare lo 0,02%.
• Stabilità chimica: È la capacità dell'olio di rimanere invariato nel tempo rispetto all'ossidazione e alla decomposizione.
• Punto di congelamento: È la temperatura alla quale un olio solidifica.
• Punto di infiammabilità: È la temperatura alla quale gas o vapori dell'olio si incendiano.
• Detergenza: È l'effetto che l'olio ha nel resistere e mantenere in sospensione i residui di superficie e le impurità.

Il Sistema di Raffreddamento del Motore

Parlando di motore a combustione interna, abbiamo detto che nel suo funzionamento sfrutta l'energia chimica di un combustibile, trasformandola in energia meccanica. La trasformazione avviene tramite l'accensione della miscela per produrre una combustione. Ciò sviluppa un calore straordinario; gran parte dell'energia non viene utilizzata e si trasforma in riscaldamento, portando a temperature molto elevate negli elementi e nelle parti della camera, specialmente durante la fase di scarico. Questa temperatura, che al momento dell'esplosione era di circa 2000 gradi (temperatura istantanea), avrebbe prodotto una dilatazione tale da causare il grippaggio dei pezzi, oltre a una degradazione dell'olio lubrificante. Non si produce calore solo nella camera di compressione, ma anche nei cilindri, perché, anche se non sono direttamente coinvolti nell'esplosione e non sono soggetti alla temperatura istantanea che essa provoca, sono a contatto con i gas caldi durante la fase di esplosione e in parte con il calore prodotto dall'attrito continuo del pistone sulle pareti. Per eliminare una parte di tale calore ed evitare i danni che ne deriverebbero, si ricorre al raffreddamento delle parti o componenti del motore che si surriscaldano maggiormente. Questo risultato è ottenuto con il sistema di raffreddamento. Il calore assorbito non deve essere né troppo poco (perché causerebbe dilatazione eccessiva) né troppo elevato (perché le prestazioni del motore subirebbero un crollo drammatico). Circa il 30% del calore prodotto nell'esplosione o combustione viene rimosso dal sistema di raffreddamento. Oltre a queste grandi dilatazioni, le alte temperature prodotte nei motori riducono la quantità di miscela che può entrare nei cilindri; per aumentare le prestazioni del motore, è quindi necessario un sistema di raffreddamento. Succede anche che, a causa di alte temperature, l'olio lubrificante perde le sue proprietà lubrificanti. Le parti che richiedono maggiore raffreddamento sono quelle sottoposte a temperature più elevate. Questi sono la testata del cilindro (in particolare le aree in prossimità della valvola di scarico), le valvole (con sedi e guide) e i cilindri (a causa dell'attrito con il pistone).

Sistemi di Accensione

Accensione a Transistor

Questo sistema di accensione è simile a quello tradizionale a batteria, ma interpone un transistor tra la batteria e l'interruttore (puntine). La funzione del transistor è quella di dividere la corrente primaria (della batteria) in due: una a bassissima intensità che passa attraverso l'interruttore (puntine), e una a maggiore intensità che passa direttamente dalla batteria. Con questo sistema, la corrente che passa attraverso le puntine può essere molto meno intensa (meno di un ampere). I vantaggi dell'accensione a transistor sono:

• Riduzione considerevole del deterioramento prematuro dei contatti dell'interruttore.
• Aumento della potenza della scintilla.
• Minore consumo, soprattutto a bassa e media velocità.
• Evita il malfunzionamento ad alti regimi.
• Facilita l'accensione della miscela, poiché permette una maggiore separazione tra gli elettrodi della candela.
• Elimina la necessità del condensatore.

Accensione Elettronica

Questo è il sistema più usato oggi. La sua caratteristica principale è l'assenza dell'interruttore (puntine), che viene sostituito da un modulo elettronico che controlla l'interruzione della corrente primaria, ovvero il tempo di alimentazione della bobina. I vantaggi di questo sistema sono:

• Facilità di avviamento a freddo.
• Buon funzionamento ad alta velocità, eliminando l'elemento meccanico (puntine).
• Minori consumi di carburante e batteria.
• Non richiede regolazioni precise (messa a punto), ma solo manutenzione (verifica e sostituzione delle candele).
• Regime minimo (ralentì) uniforme.

I suoi svantaggi sono:

• Costo elevato dei suoi componenti.
• Riparazioni costose, sia per i materiali che per la manodopera.