Una delle frasi che più spesso veniva ripetuta dai professori durante le lezioni di ingegneria era: “Ragazzi, tenete sempre ben a mente che l’energia non si crea e non si distrugge, ma può solo trasformarsi da una forma all’altra”.
Viene allora da chiedersi : “Ma da dove arriva tutta quella potenza che consente ad auto che pesano anche tonnellate di compiere accelerazioni brucianti?”
Il segreto sta nel combustibile. Il motore termico, infatti, è una macchina che converte l’energia chimica contenuta nel carburante in lavoro meccanico. In particolare, il comune motore a benzina è un propulsore a quattro tempi ad accensione comandata nel quale la combustione avviene grazie alla scintilla che viene fatta scoccare dalla candela.
Il funzionamento del motore a benzina viene spesso spiegato facendo riferimento al ciclo ideale di Otto, ideato dallo stesso ingegnere nel 1876.
Io, invece, preferisco rifarmi al ciclo aria-combustibile che è decisamente meno teorico e irrealistico rispetto a quello di Otto. Il funzionamento prevede quattro fasi: aspirazione, compressione, combustione/espansione e scarico.
Durante la fase di aspirazione, che idealmente si suppone avvenga a pressione ambiente, il pistone passa dal punto superiore (PMS d’ora in poi) al punto morto inferiore (PMI d’ora in poi), consentendo così all’aria di entrare e riempire il cilindro senza perdite.
Una volta che il pistone ha raggiunto il punto morto inferiore, inverte la sua corsa e inizia così la fase di compressione. Questa dura fino a quando si giunge nuovamente al PMS, dove avviene una combustione istantanea.
A seguito dell’esplosione l’aria si espande violentemente, forzando il pistone a scendere fino al PMI.
Il ciclo si chiude con la fase di scarico nella quale il pistone, risalendo fino al PMS, espelle i gas combusti al di fuori del cilindro senza perdite.
Quello appena descritto è il ciclo aria-combustibile che presenta comunque diverse semplificazioni. La realtà però è ben diversa: la combustione non è mai perfetta ed istantanea, vi sono attriti e scambi termici con l’ambiente, l’aspirazione e lo scarico non avvengono a pressione ambiente.
Viene allora da chiedersi. “Ma come influiscono tutte queste “imperfezioni” sulla potenza e il rendimento del motore?”
Nei diagrammi pressione-volume l’area racchiusa tra le curve rappresenta il lavoro che il motore produce.
Come si nota, il ciclo reale perde una quantità significativa di energia rispetto a quello teorico aria-combustibile.
Come non bastasse poi, il motore nel funzionamento reale deve svolgere un ulteriore lavoro, detto di pompaggio, che si sottrae alla potenza effettiva del motore. Questa perdita di potenza è dovuta al fatto che all’aspirazione e allo scarico le pressioni all’interno del cilindro non sono esattamente pari alla pressione atmosferica.
Se non vi è chiaro il concetto, immaginate di coprire parzialmente il foro di una siringa senza ago e di muovere su e giù lo stantuffo, non è così facile vero?
Bene, quella resistenza che sentite è il lavoro di pompaggio che la vostra mano deve svolgere, proprio come accade per il motore. L’obiettivo degli ingegneri è esattamente quello ridurre il più possibile “le aree rosse” del grafico in modo da estrarre il massimo dal propulsore. Nel prossimo articolo vi spiegherò com’è possibile raggiungere questo obiettivo regolando opportunamente la chiusura e l’apertura delle valvole.