Motore a ciclo Atkinson-Miller: l’evoluzione del Ciclo Otto

Quando parliamo di motori a combustione interna, la nostra mente rievoca quasi istantaneamente il Ciclo Otto. La storia di questo primo motore a quattro tempi brevettato da Nikolaus August Otto, inizia nel 1876 ma, per dovere di cronaca, va detto che i medesimi studi erano stati compiuti da Alphonse Beau de Rochas, un tecnico francese che aveva a sua volta ripreso il concetto del motore di Eugenio Barsanti e Felice Matteucci. Il motore concepito dai due scienziati italiani era, di per sé, molto poco efficiente: venne ideato nel 1853 e aveva un funzionamento tanto elementare quanto primitivo. La fase di aspirazione, infatti, terminava molto presto, con il pistone che non aveva nemmeno raggiunto metà della sua corsa. Allo scoccare della scintilla, la detonazione spingeva il pistone nella sua corsa rimanente e la depressione lo faceva risalire. La mancanza della fase di compressione lo rendeva pertanto un motore a tre tempi e venne aggiunta solo successivamente, proprio da Beau de Rochas. Il ciclo Otto è il ciclo che sopravvive ancora oggi nei motori a combustione interna moderni, ma per capire bene cosa spinse Atkinson prima e Miller dopo a cercarne un’evoluzione (senza violare il brevetto dell’ingegnere tedesco), è senza dubbio utile affidarci alla fisica per comprenderne il funzionamento e la relativa termodinamica.

atkinson miller

Funzionamento Ideale

Si consideri la figura:

Otto Ideale

Rappresentante il piano di Clapeyron p-v e il relativo ciclo di Carnot che evidenzia il funzionamento del ciclo Otto. L’area delimitata dal grafico è equivalente al Lavoro compiuto durante tutto il ciclo. Si tenga presente che la retta che va da 0 a 1, indica che la valvola di aspirazione è aperta. Il punto 1 indica la chiusura della valvola di aspirazione ed equivale all’inizio della fase di compressione che, sul grafico, è rappresentata dalla curva che va dal punto 1 al punto 2. Nel punto 2, scocca la scintilla e dal punto 3 al punto 4 abbiamo la curva relativa alla fase di espansione. Dal punto 4 al punto 1 la valvola di scarico si apre e dal punto 1 al punto 0, il ciclo viene completato per poi ricominciare.

Prima di andare oltre è utile definire tre concetti “Chiave” per capire bene la fisica del ciclo:

Trasformazione adiabatica: è una trasformazione termodinamica generalmente irreversibile e molto rapida (non quasistatica), nel corso della quale un determinato sistema fisico non scambia calore con l’ambiente esterno ad esso, cedendolo e riprendendolo in maniera ciclica, in coppie di trasformazioni elementari.

Trasformazione Isocora: rappresenta la variazione dello stato di un sistema durante la quale il volume (V0) rimane costante. Secondo il Piano di Clapeyron (p-v), avremo:

Isocora

 

Trasformazione Isobara: è una trasformazione termodinamica dello stato di un sistema fisico durante la quale la pressione p rimane costante. Secondo il piano di Claperyon (p-v) avremo:

 

isobara

 

 

Il funzionamento è relativamente semplice e possiamo descriverlo inizialmente da un punto di vista “Ideale”:

1) Aspirazione (ammissione): il pistone si sposta dal punto morto superiore (PMS) al punto morto inferiore (PMI) e, grazie all’apertura della valvola di aspirazione, la miscela formata da combustibile e comburente viene “Ammessa” all’interno della camera di combustione. Idealmente parlando, questa fase è isobara, con pressione uguale a quella atmosferica. (p = patm)

2) Compressione: la valvola di aspirazione si chiude e il pistone si sposta dal punto morto inferiore (PMI), al punto morto superiore (PMS). Questa fase si sviluppa grazie ad una trasformazione adiabatica. Il volume diminuisce, la temperatura T e la pressione p La fase terminerá quando il volume sará pari a quello di combustione e la pressione sufficientemente elevata.

3) Scoppio (Scintilla): grazie ad una trasformazione isocora, allo scoccare della scintilla, la miscela si incendia e il calore generato dalla combustione causerá un aumento di pressione.

4) Scoppio (Espansione): grazie ad una trasformazione adiabatica, l’aumento di pressione causa lo spostamento del pistone dal punto morto superiore (PMS), al punto morto inferiore (PMI).

5) Scarico (Fase spontanea): è una trasformazione isocora in cui il pistone è in linea teorica “Fermo” al punto morto inferiore (PMI), la valvola di scarico si apre e la pressione p ha lo stesso valore di quella atmosferica (volume costante).

6) Scarico (Fase forzata): è una trasformazione isobara in cui i gas combusti vengono espulsi attraverso il condotto di scarico (la valvola rimane aperta), il pistone si porta al punto morto superiore (PMS) e la pressione rimane teoricamente equivalente a quella atmosferica (pressione costante). Alla fine di questa fase, la valvola di scarico si chiude e solo allora potrá iniziare un nuovo ciclo.

Osservando queste sei fasi, si evince che il funzionamento ideale del ciclo Otto (a benzina), é composto da sei trasformazioni termodinamiche, nello specifico due adiabatiche (2 e 4), due isobare (1 e 6) e due isocore (3 e 5).

Funzionamento Reale

scoppio

 

Il rendimento di un ciclo Otto “Reale” è differente rispetto al Ciclo Otto “Ideale” e per comprendere questa differenza è necessario compiere nuovamente l’analisi delle fasi di funzionamento: [...]

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