Come funziona il motore a quattro tempi per auto e moto

Scopri come funziona il motore a quattro tempi, uno dei più diffusi nelle auto, ma anche moto e altri veicoli

Il motore a 4 tempi è comunemente il motore che si trova sotto i cofani delle nostre automobili, ma è largamente diffuso anche nei motocicli e nei veicoli commerciali a basso carico. Quando si parla di motori, in questo caso a combustione interna, i tempi non sono altro che le fasi che ne scandiscono il funzionamento, attraverso il cosiddetto ciclo Otto, dal nome dell’ingegnere tedesco che lo inventò, nel 1867. Il ciclo Otto sta alla base del funzionamento sia dei motori a benzina che di quelli diesel, caratterizzati entrambi da 4 fasi distinte, ma con alcune differenze, che vedremo poi nello specifico.

Le fasi di un motore a 4 tempi

Proprio come descritto in un ciclo Otto, un motore a quattro tempi sviluppa un intero ciclo termodinamico suddiviso in due rotazioni distinte dell’albero motore, in quanto a differenza di un motore a 2 tempi, qui il pistone svolge non una ma ben due funzioni. Durante un ciclo termodinamico completo, una massa di gas o combustibile fossile (benzina, gasolio, metano, GPL, metanolo e miscele di etanolo quali E85 o E95) è sottoposto ai cambiamenti di pressione, temperatura e volume, necessari alla produzione dello scoppio, ovvero del rilascio dell’energia necessario a imprimere il movimento, permettendo la propulsione del veicolo. Sia il ciclo Otto che il ciclo Diesel si compongono dunque delle seguenti quattro fasi:

  • Aspirazione. Il moto di rotazione dell’albero motore crea una depressione che permette al pistone di compiere il suo movimento. Con la valvola di aspirazione aperta, la depressione permette alla miscela di aria-benzina di entrare nel cilindro;
  • Compressione. Una volta raggiunto il Punto Morto Inferiore (PMI), il pistone inverte il suo moto e risale il cilindro. Le valvole si chiudono, aumentando così la pressione della miscela aria-acqua, che ormai riempie la parte superiore del cilindro e dunque viene sottoposta a una compressione, che ne aumenta la temperatura (2.300°C circa) vicino alla camera di combustione e alla candela. La forza sviluppata, detto rapporto di compressione, è data dal rapporto tra volume del cilindro comprensivo della camera di combustione e volume della sola camera di combustione;
  • Espansione. Poco prima di raggiungere il cosiddetto Punto Morto Superiore (PMS), l’elevata temperatura raggiunta grazie alla compressione della miscela provoca una scintilla tra gli elettrodi della candela, innescando la combustione e il famoso scoppio, che spinge nuovamente il pistone verso il basso. Questo è dovuto appunto all’espansione dei gas prodotti dalla combustione, capaci di raggiungere pressioni elevate, in genere compresa tra 35 e 45 bar;
  • Scarico. Mentre il pistone è spinto verso il basso, si apre la valvola di scarico, posta sempre nella parte superiore del cilindro esattamente di fronte alla valvola di aspirazione. I gas prodotti dalla combustione si riversano, attraverso la valvola di scarico, nel collettore, prima di passare filtri e sistemi antinquinamento fino alla marmitta e da qui nell’atmosfera. Una volta giunto al Punto Morto Inferiore, il pistone inverte nuovamente il suo ciclo e, spingendosi di nuovo verso l’alto, completa l’espulsione dei gas verso l’esterno.

Motore a 4 tempi: sempre più efficiente

Con il passare degli anni la tecnologia ha permesso di rendere sempre più efficienti le fasi di funzionamento di un motore a 4 tempi. Ecco tutti gli accorgimenti che ne aumentano l’efficienza:

  • Incrocio delle valvole. Tra la fase di scarico e quella di aspirazione, l’ultima e la prima quando riparte il ciclo, la valvola di scarico e quella di aspirazione restano aperte contemporaneamente, così da facilitare grazie all’inerzia dei gas prodotti durante la combustione l’aspirazione della miscela all’interno del cilindro;
  • Aspirazione ritardata. Ritardando la chiusura della valvola di aspirazione al risalire del pistone dal PMI (e non al suo raggiungimento) l’aspirazione è altresì facilitata, in quanto l’inerzia della miscela non garantisce da sola l’ideale riempimento della parte superiore del cilindro;
  • Scarico anticipato. Aprendo la valvola di scarico prima che il pistone raggiunga il PMI si evita allo stesso di sprecare eccessiva energia per espellere i gas prodotti dalla combustione;
  • Distribuzione a fasatura variabile. Permettendo alle valvole non solo di aprirsi o chiudersi anticipatamente o in ritardo a seconda della fase, ma addirittura di adattarsi per così dire in corso d’opera, si ottimizza ulteriormente il funzionamento del motore;
  • Valvola di gestione. Dotare il motore di una valvola di gestione, controllata da un motorino elettrico che fa a sua volta capo a una centraline, permette di settare in maniera ancora più ottimale la distribuzione delle fasi e può essere impostata all’aspirazione o allo scarico. Nel primo caso si va a ridurre ulteriormente la resistenza della miscela in ingresso, ottimizzando così il riempimento del cilindro nelle varie fasi ed evitando infine il reflusso dell’aria. Una valvola di gestione allo scarico, invece, permette di ridurre la resistenza allo scarico, così da anticiparne ulteriormente l’effetto. In questo modo si limitano le perdite di pressione e di aria alla sua apertura.

Motore a 4 tempi: differenze tra il ciclo Otto e il ciclo Diesel

Le fasi di un motore a 4 tempi a Diesel o a benzina, e che quindi utilizza il ciclo Otto, sono pressoché simili, anche se tuttavia presentano significative differenze. Vediamole fase per fare:

  • Aspirazione. Dalla valvola di aspirazione entra soltanto aria fresca, che viene miscelata con il combustibile;
  • Compressione. Il rapporto di compressione che si sviluppa è più elevato, in quanto viene sfruttata l’elevata temperatura che proprio l’aria riesce a raggiungere, innescando così automaticamente la combustione del carburante, anche in assenza della candela;
  • Espansione e scarico. Simili in tutto e per tutto al ciclo Otto, a differenza della temperatura a fine combustione, che nel ciclo Diesel raggiunge anche i 2.000°C, rendendo in questo modo i gas di scarico meno inquinanti.

Venendo infine ai vantaggi e agli svantaggi tra il motore a benzina e quello Diesel, sebbene quest’ultimo rilasci nell’atmosfera meno CO2, rispetto a un motore a benzina ha bisogno di appositi filtri anti inquinamento in quanto il Diesel rilascia maggiori quantità di polveri sottili e di particolato (particelle carboniose). Di contro però il motore a benzina ha rendimento inferiori di circa il 15%, sebbene il Diesel abbia costi di manutenzione e dimensioni fisiche maggiori.

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