Rendimento, Potenza e Architettura dei Motori a Combustione Interna

Rendimento Termico del Motore

Il rendimento termico sarà tanto maggiore quanto maggiore la temperatura (T°) raggiunta nella combustione e quanto minori le perdite di calore. La quantità di calore ottenuta è funzione della massa di carburante consumata per unità di tempo e del suo potere calorifico. Il rendimento termico può essere definito come il rapporto tra la potenza effettiva e il calore prodotto dal combustibile.

Le perdite attraverso i gas di scarico ammontano a circa il 35% nei motori Otto e il 30% nei motori Diesel. Il sistema di raffreddamento evacua approssimativamente il 30% del calore del motore. In totale, i motori a combustione interna sono capaci di trasformare in energia meccanica solo tra il 35% e il 50% dell'energia calorifica del combustibile.

Rendimento Meccanico

Il rendimento meccanico è espresso come rapporto tra la potenza effettiva ottenuta all'albero motore e la potenza indicata, ottenuta dal diagramma di lavoro che esprime il lavoro interno all'interno del cilindro, senza considerare le perdite meccaniche.

Le perdite di carattere meccanico considerate per determinare il rendimento meccanico sono:

• L'energia utilizzata per trasmettere il movimento dal pistone all'albero motore, principalmente dovuta all'attrito tra segmento e cilindro, e all'attrito dei cuscinetti e delle parti dell'albero a gomiti.
• L'energia consumata dai dispositivi ausiliari come il sistema di distribuzione, la pompa dell'acqua e il lavoro di pompaggio utilizzato per introdurre ed estrarre i gas nel cilindro.

Le perdite meccaniche totali sono tra il 10% e il 15%.

Rendimento Effettivo Globale

L'equilibrio tra le perdite totali e il 100% dell'energia consumata nel combustibile dà luogo al rendimento effettivo del motore.

Riepilogo Perdite e Rendimento

Motore Otto

• Perdite termiche: 60-65%
• Perdite meccaniche: 10-15%
• Totale perdite: 70-75%
• Rendimento Effettivo Globale: 25-30%

Motore Diesel

• Perdite termiche: 50-60%
• Perdite meccaniche: 10-15%
• Totale perdite: 60-70%
• Rendimento Effettivo Globale: 30-40%

Rendimento Volumetrico

Definito come il grado di efficienza con cui si riempie il cilindro. È espresso come rapporto tra la massa di gas che entra nel cilindro in un ciclo e la massa teorica che occuperebbe il volume del cilindro.

Coppia Motrice

È una funzione della forza applicata sul piede di biella e della lunghezza del braccio dell'albero a gomiti, che è la stessa della metà della corsa.

Potenza

È definita come la quantità di lavoro svolto nell'unità di tempo.

Fattori che Influenzano il Riempimento del Motore

• Cilindrata
• Numero di cilindri
• Rapporto di compressione
• RPM (Giri al minuto)

Motori Pluricilindrici

Per cilindrate inferiori a 800 cm³, si usano motori a 2 e 3 cilindri, ampiamente diffusi nelle motociclette. Per cilindrate superiori ai 4 litri, si costruiscono motori con più cilindri.

I motori Diesel lenti da 8 e 10 cilindri utilizzano dimensioni maggiori, con unità di volume fino a 2 litri. Si producono motori a 6, 8, 10, 12 cilindri. A causa della grande forza dell'esplosione, richiedono alberi a gomiti molto robusti.

Nel settore automobilistico (turismo), si tende a utilizzare unità cilindro relativamente piccole, da 250 a 500 cm³, il che comporta alcuni vantaggi nel loro comportamento.

Disposizione dei Cilindri

Le dimensioni esterne dei motori devono adattarsi allo spazio disponibile nel vano motore delle automobili. I motori a 6 cilindri in linea sono spesso troppo lunghi e alti, e soggetti a eccessive vibrazioni torsionali. Sono classificati in base alla loro disposizione:

• Cilindri in linea
• Motori a V
• Motori a cilindri orizzontali contrapposti (Boxer)

Motori a V

È un tipo di motore in cui i cilindri sono disposti a V, con un angolo solitamente di 90° o 60°. Esistono anche motori a V stretta, con angoli fino a 15°. Si ottiene una dimensione del motore più corta e più bassa, anche se più larga, soprattutto per i motori a 6 o più cilindri.

Motori a W

Utilizzati in motori da 8 a 12 cilindri, sono compatti e classificati come motori a V multipla. Riducono la lunghezza del blocco e dell'albero a gomiti.

Motori Boxer

I cilindri sono disposti orizzontalmente su due lati, uniti alla base con un albero motore comune. È un tipo di motore a V con un angolo di 180°. L'altezza di questo motore risulta molto ridotta. Sono prodotti con 2-6 cilindri.

Numero di Cilindri e Ordine di Accensione

L'ordine di accensione determina la sequenza degli impulsi che riceve ogni pistone, iniziando dal lato opposto al volano. Nei motori con volano contrapposto di tipo doppio, la numerazione dei cilindri inizia dal lato sinistro e prosegue verso destra, determinata dalla stessa parte in cui inizia la numerazione.