Fasi motore a 4 tempi, quali sono e come funziona
Le fasi in un motore 4 tempi scandiscono il funzionamento del motore a combustione interna. Il ciclo otto descrive l funzionamento di un motore benzina e quello Diesel di un motore a gasolio ed entrambi si caratterizzano dalle fasi di aspirazione, compressione, espansione e scarico.
L’emergenza Coronavirus Covid-19 ci ha abituato a un nuovo significato del termine “Fasi”: la fase 1 del Lockdown, la fase 2 della parziale riapertura delle attività lavorative e la fase 3 del ritorno alla normalità con le dovute cautele.
Ma nel mondo dei motori le fasi sono i “tempi” che scandiscono il funzionamento del motore a combustione interna. Per il ciclo Otto, ovvero quello che caratterizza i motori a benzina, e per il ciclo Diesel, le fasi sono 4: aspirazione, compressione, espansione e scarico a differenza del motore a 2 tempi dove sono soltanto due.
Fasi motore a 4 tempi, differenza ciclo Otto e Ciclo Diesel
Il Ciclo Otto è il principio di funzionamento del motore a 4 tempi a benzina descrive, dal punto di vista termodinamico, cosa succede a una massa di gas soggetta a cambiamenti di pressione, temperatura, volume, aggiunta di calore o sottrazione di calore.
La massa di gas che è soggetta a tali cambiamenti è chiamato sistema. Il sistema, in questo caso, è definito come il fluido (gas) presente all’interno del cilindro. Il lavoro utile prodotto dal sistema permettere la propulsione del veicolo.
Il ciclo Diesel riguarda le fasi del motore a 4 tempi a gasolio, dove l’accensione della miscela non avviene attraverso una candela bensì per effetto dell’alta temperatura conseguente alla fase di compressione.
Il ciclo Otto e ciclo Diesel si compongono delle fasi aspirazione, compressione, espansione, scarico, vediamole in dettaglio e quali sono le differenze fra ciclo Otto e ciclo Diesel.
Aspirazione ciclo Otto, come funziona
Nella fase di aspirazione del ciclo Otto il pistone si muove verso il basso a causa del moto di rotazione dell’albero motore, creando una depressione all’interno del cilindro. La valvola di aspirazione è aperta e la depressione richiama all’interno del cilindro i gas freschi, ovvero la miscela aria benzina, o solo aria nel caso di iniezione diretta.
Dopo aver raggiunto il punto più basso della sua corsa, detto punto morto inferiore (PMI) il pistone inverte il suo modo e inizia la successiva fase di compressione.
Fase compressione
Nella fase di compressione del ciclo Otto le valvole sono entrambe chiuse e il pistone salendo comprime la miscela aria benzina precedentemente introdotta nel cilindro. Ricordiamo che il rapporto di compressione è il rapporto tra il volume totale del cilindro (camera di combustione compresa) e quello della sola camera di combustione.
Poco prima che il pistone arrivi al punto morto superiore (PMS), ovvero il punto più alto che il pistone raggiunge nel suo moto all’interno del cilindro, tra gli elettrodi della candela scocca la scintilla che causa la combustione della miscela aria benzina. Poiché questa si svolge in maniera estremamente rapida, ma non istantanea, è necessario che vi sia un certo anticipo di accensione, cioè che la scintilla inneschi la combustione prima che il pistone raggiunga il PMS.
Fase espansione
Nella fase di espansione del ciclo Otto a causa del grande aumento di temperatura (circa 2.300 °C) dovuto alla combustione, la pressione dei gas all’interno del cilindro raggiunge valori assai elevati (tra i 35 e i 45 bar) e il pistone viene spinto con forza verso il punto morto inferiore.
Fase scarico
Nella fase scarico del ciclo Otto la valvola di scarico si apre e i gas combusti escono dal motore riversandosi, attraverso il collettore di scarico, nei sistemi antinquinamento e infine disperdendosi nell’atmosfera. I gas combusti hanno una temperatura intorno ai 1000 °C e una pressione di 4 – 5 bar.
Il pistone risale verso il punto morto superiore e completa l’espulsione dei gas dal cilindro. Nei motori più raffinati le valvole di aspirazione si aprono già a partire dal termine della fase di scarico, realizzando il cosiddetto “incrocio”, che permette un lavaggio più efficiente, cioè un’ espulsione più rapida e completa dei gas combusti.
È quindi chiaro il motivo per cui questo ciclo di funzionamento viene detto a quattro tempi. Si osservi che ciascuna fase, e quindi l’intero ciclo, si ripete ogni due giri dell’albero a gomiti.
Fasi motore 4 tempi, differenze ciclo Otto e ciclo Diesel
Nella fasi del motore il ciclo Otto ed ciclo Diesel sono simili ma presentano delle significative differenze. Innanzitutto nella fase di aspirazione i motori a ciclo diesel immettono nel cilindro, dal collettore di aspirazione, solo aria fresca.
La fase di compressione nel motore diesel è analoga a quella dei motori a ciclo otto, con la differenza che il rapporto di compressione è più elevato, per permettere il raggiungimento di una temperatura finale di compressione abbastanza elevata da poter incendiare il carburante che verrà iniettato nel cilindro alla fine della fase. Il pistone comprime l’aria a pressioni di circa 30 – 50 bar, elevando la temperatura fino a 800 – 900 °C. Ovviamente nei motori diesel non è presente la candela.
Infine le fasi di espansione e scarico nel ciclo Diesel sono uguali a quelle nel ciclo Otto. A fine combustione la temperatura raggiunge valori massimi di circa 2000 °C.
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