Un motore a quattro tempi (noto anche come quattro cicli) è un motore a combustione interna in cui il pistone completa quattro corse separate che comprendono un singolo ciclo termodinamico. Una corsa si riferisce alla corsa completa del pistone lungo il cilindro, in entrambe le direzioni. I quattro tratti separati sono chiamati:
- ASPIRAZIONE: questa corsa del pistone inizia al punto morto superiore. Il pistone scende dalla parte superiore del cilindro alla parte inferiore del cilindro, aumentando il volume del cilindro., Una miscela di carburante e aria viene forzata dalla pressione atmosferica (o superiore) nel cilindro attraverso la porta di aspirazione.
- COMPRESSIONE: con entrambe le valvole di aspirazione e di scarico chiuse, il pistone ritorna alla parte superiore del cilindro comprimendo la miscela aria o aria-carburante nella testa del cilindro.
- POTENZA: questo è l’inizio della seconda rivoluzione del ciclo. Mentre il pistone è vicino al punto morto superiore (PMS), la miscela aria–carburante compressa in un motore a benzina viene accesa, da una candela nei motori a benzina, o che si accende a causa del calore generato dalla compressione in un motore diesel., La pressione risultante dalla combustione della miscela aria-carburante compressa costringe il pistone indietro verso il punto morto inferiore (BDC).
- SCARICO: durante la corsa di scarico, il pistone ritorna nuovamente al punto morto superiore mentre la valvola di scarico è aperta. Questa azione espelle la miscela aria-combustibile esaurito attraverso le valvole di scarico.,
Design e principi di ingegneria
Potenza di uscita limitazioni
Il ciclo a quattro tempi
A: Aspirazione
B: Compressione
C: Potenza
D: i gas di Scarico
1=TDC
2=BDC
La massima quantità di energia generata da un motore è determinata dalla massima quantità di aria ingerita., La quantità di potenza generata da un motore a pistoni è correlata alla sua dimensione (volume del cilindro), sia che si tratti di un design a due tempi o quattro tempi, efficienza volumetrica, perdite, rapporto aria-carburante, potere calorifico del carburante, contenuto di ossigeno dell’aria e velocità (RPM). La velocità è in definitiva limitata dalla forza del materiale e dalla lubrificazione. Valvole, pistoni e biellesoffre forti forze di accelerazione. Ad alta velocità del motore, possono verificarsi rotture fisiche e flutter dell’anello del pistone, con conseguente perdita di potenza o addirittura distruzione del motore., Il flutter dell’anello del pistone si verifica quando gli anelli oscillano verticalmente all’interno delle scanalature del pistone in cui risiedono. Il flutter dell’anello compromette la tenuta tra l’anello e la parete del cilindro, causando una perdita di pressione e potenza del cilindro. Se un motore gira troppo velocemente, le molle delle valvole non possono agire abbastanza rapidamente da chiudere le valvole. Ciò si riferisce comunemente a come “galleggiante della valvola” e può provocare il pistone al contatto della valvola, danneggiando gravemente il motore. Alle alte velocità la lubrificazione dell’interfaccia della parete del cilindro del pistone tende a rompersi., Ciò limita la velocità del pistone per i motori industriali a circa 10 m/s.
Flusso della porta di aspirazione/scarico
La potenza di uscita di un motore dipende dalla capacità dell’aspirazione (miscela aria–carburante) e della materia di scarico di muoversi rapidamente attraverso le porte delle valvole, tipicamente situate nella testa del cilindro. Per aumentare la potenza di uscita di un motore, è possibile rimuovere le irregolarità nei percorsi di aspirazione e scarico, come i difetti di fusione, e, con l’aiuto di un banco di flusso d’aria, è possibile modificare i raggi delle spire delle valvole e la configurazione della sede della valvola per ridurre la resistenza., Questo processo è chiamato porting, e può essere fatto a mano o con una macchina CNC.
Sovralimentazione
Un modo per aumentare la potenza del motore è quello di forzare più aria nel cilindro in modo che più potenza può essere prodotta da ogni colpo di potenza. Questo può essere fatto utilizzando un certo tipo di dispositivo di compressione dell’aria noto come compressore, che può essere alimentato dall’albero motore del motore.
La sovralimentazione aumenta i limiti di potenza di un motore a combustione interna rispetto alla sua cilindrata., Più comunemente, il compressore è sempre in funzione, ma ci sono stati disegni che permettono di essere tagliato o eseguito a velocità variabili (rispetto alla velocità del motore). La sovralimentazione azionata meccanicamente ha lo svantaggio che una parte della potenza di uscita viene utilizzata per azionare il compressore, mentre la potenza viene sprecata nello scarico ad alta pressione, poiché l’aria è stata compressa due volte e quindi guadagna più volume potenziale nella combustione, ma viene espansa solo in uno stadio.
Turbocompressore
Un turbocompressore è un compressore azionato dai gas di scarico del motore, per mezzo di una turbina., Consiste in un gruppo di turbine ad alta velocità in due pezzi con un lato che comprime l’aria di aspirazione e l’altro lato alimentato dal deflusso del gas di scarico.
Quando è al minimo e a velocità da basse a moderate, la turbina produce poca potenza dal piccolo volume di scarico, il turbocompressore ha scarso effetto e il motore funziona quasi in modo aspirato., Quando è richiesta molta più potenza, il regime del motore e l’apertura della valvola a farfalla vengono aumentati fino a quando i gas di scarico sono sufficienti a “far girare” la turbina del turbocompressore per iniziare a comprimere molta più aria del normale nel collettore di aspirazione.
La turbocompressione consente un funzionamento del motore più efficiente perché è guidata da una pressione di scarico che altrimenti sarebbe (per lo più) sprecata, ma esiste una limitazione di progettazione nota come turbo lag., L’aumento della potenza del motore non è immediatamente disponibile a causa della necessità di aumentare drasticamente il numero di giri del motore, di aumentare la pressione e di far girare il turbo, prima che il turbo inizi a fare qualsiasi compressione dell’aria utile. L’aumento del volume di aspirazione provoca un aumento dello scarico e fa girare il turbo più velocemente, e così via fino a raggiungere un funzionamento costante ad alta potenza. Un’altra difficoltà è che la pressione di scarico più alta fa sì che il gas di scarico trasferisca più del suo calore alle parti meccaniche del motore.,
Rod e rapporto pistone-corsa
Il rapporto asta-corsa è il rapporto tra la lunghezza della biella e la lunghezza della corsa del pistone. Una barra più lunga riduce la pressione laterale del pistone sulla parete del cilindro e le forze di stress, aumentando la durata del motore. Aumenta anche il costo e l’altezza e il peso del motore.
Un “motore quadrato” è un motore con un diametro del foro uguale alla sua lunghezza della corsa., Un motore in cui il diametro del foro è maggiore della sua lunghezza della corsa è un motore over-quadrato, al contrario, un motore con un diametro del foro che è inferiore alla sua lunghezza della corsa è un motore sotto-quadrato.
Treno valvole
Le valvole sono tipicamente azionate da un albero a camme che ruota alla metà della velocità dell’albero motore. Ha una serie di camme lungo la sua lunghezza, ciascuna progettata per aprire una valvola durante la parte appropriata di una corsa di aspirazione o scarico. Una punteria tra valvola e camma è una superficie di contatto su cui la camma scorre per aprire la valvola., Molti motori utilizzano uno o più alberi a camme “sopra” una fila (o ogni fila) di cilindri, come nell’illustrazione, in cui ogni cam aziona direttamente una valvola attraverso una punteria piatta. In altri modelli di motore l’albero a camme è nel carter, nel qual caso ogni cam contatti un’asta di spinta, che contatta un bilanciere che apre una valvola. La progettazione sopraelevata della camma permette tipicamente i più alti regimi del motore perché fornisce il percorso più diretto fra la camma e la valvola.,
Gioco della valvola
Il gioco della valvola si riferisce al piccolo spazio tra un sollevatore della valvola e uno stelo della valvola che assicura che la valvola si chiuda completamente. Sui motori con regolazione meccanica della valvola, un gioco eccessivo provoca rumore dal treno valvole. Un gioco della valvola troppo piccolo può causare la chiusura delle valvole correttamente, questo si traduce in una perdita di prestazioni e possibilmente surriscaldamento delle valvole di scarico. In genere, il gioco deve essere riadattato ogni 20.000 miglia (32.000 km) con uno spessimetro.,
La maggior parte dei moderni motori di produzione utilizza sollevatori idraulici per compensare automaticamente l’usura dei componenti del treno valvole. L’olio motore sporco può causare il guasto del sollevatore.
Bilancio energetico
I motori Otto sono efficienti circa il 30%; in altre parole, il 30% dell’energia generata dalla combustione viene convertita in energia rotazionale utile sull’albero di uscita del motore, mentre il resto è perdite dovute a calore di scarto, attrito e accessori del motore. Ci sono un certo numero di modi per recuperare parte dell’energia persa per il calore di scarto., L’uso di un turbocompressore nei motori diesel è molto efficace aumentando la pressione dell’aria in ingresso e in effetti fornisce lo stesso aumento delle prestazioni come avere più cilindrata. La Mack Truck company, decenni fa, ha sviluppato un sistema a turbina che convertiva il calore di scarto in energia cinetica che alimentava nella trasmissione del motore. Nel 2005, BMW ha annunciato lo sviluppo del turbo-steamer, un sistema di recupero del calore a due stadi simile al sistema Mack che recupera l ‘ 80% dell’energia nei gas di scarico e aumenta l’efficienza di un motore Otto del 15%., Al contrario, un motore a sei tempi può ridurre il consumo di carburante fino al 40%.
I motori moderni sono spesso costruiti intenzionalmente per essere leggermente meno efficienti di quanto potrebbero altrimenti essere. Ciò è necessario per i controlli delle emissioni come il ricircolo dei gas di scarico e i convertitori catalitici che riducono lo smog e altri inquinanti atmosferici. Le riduzioni di efficienza possono essere contrastate con un’unità di controllo del motore utilizzando tecniche di bruciatura magra.
Negli Stati Uniti, il risparmio di carburante medio aziendale impone che i veicoli debbano raggiungere una media di 35.,5 miglia per gallone (mpg) rispetto allo standard attuale di 25 mpg. Come case automobilistiche cercano di soddisfare questi standard entro il 2016, nuovi modi di ingegneria del motore a combustione interna tradizionale (ICE) potrebbe dover essere considerato. Alcune potenziali soluzioni per aumentare l’efficienza del carburante per soddisfare nuovi mandati includono la cottura dopo che il pistone è più lontano dall’albero motore, noto come punto morto superiore (PMS), e l’applicazione del ciclo Miller. Insieme, questa riprogettazione potrebbe ridurre significativamente il consumo di carburante e le emissioni di NOx.,
Starting position, intake stroke, and compression stroke.
Ignition of fuel, power stroke, and exhaust stroke.
