Hai mai aperto il cofano della tua auto e ti sei chiesto cosa stesse succedendo lì dentro? Il motore di un'auto può sembrare un grande miscuglio confuso di metallo, tubi e fili per chi non lo sapesse.
Potresti voler sapere cosa sta succedendo semplicemente per curiosità. O forse stai acquistando un'auto nuova e senti cose come "2,5 litri inclinati quattro" e "turbo" e "tecnologia start/stop". Cosa significa tutto questo?
In questo articolo, discuteremo l'idea di base alla base di un motore e poi approfondiremo come si incastrano tutti i pezzi, cosa può andare storto e come aumentare le prestazioni.
Lo scopo di un motore per auto a benzina è convertire la benzina in movimento in modo che la tua auto possa muoversi. Attualmente il modo più semplice per creare movimento dalla benzina è bruciare la benzina all'interno di un motore. Pertanto, un motore per auto è un motore a combustione interna — la combustione avviene internamente.
Due cose da notare:
Diamo un'occhiata al processo di combustione interna in modo più dettagliato nella prossima sezione.
Contenuti
Il principio alla base di qualsiasi motore a combustione interna alternativo:se metti una piccola quantità di carburante ad alta densità di energia (come la benzina) in un piccolo spazio chiuso e lo accendi, viene rilasciata un'incredibile quantità di energia sotto forma di gas in espansione.
Puoi usare quell'energia per scopi interessanti. Ad esempio, se riesci a creare un ciclo che ti permetta di innescare esplosioni come questa centinaia di volte al minuto e se riesci a sfruttare quell'energia in modo utile, quello che hai è il cuore del motore di un'auto.
Quasi tutte le auto con motore a benzina utilizzano un ciclo di combustione a quattro tempi convertire la benzina in moto. L'approccio a quattro tempi è anche noto come ciclo Otto , in onore di Nikolaus Otto, che lo inventò nel 1867. I quattro tratti sono illustrati nell'animazione . Sono:
Il pistone è collegato all'albero motore da una biella . Quando l'albero a gomiti gira, ha l'effetto di "ripristinare il cannone". Ecco cosa succede durante il ciclo del motore:
Ora il motore è pronto per il prossimo ciclo, quindi aspira un'altra carica di aria e gas.
In un motore, il movimento lineare dei pistoni viene convertito in movimento rotatorio dall'albero motore. Il movimento di rotazione è piacevole perché pianifichiamo di girare (ruotare) comunque le ruote dell'auto.
Ora diamo un'occhiata a tutte le parti che lavorano insieme per far sì che ciò avvenga, a cominciare dai cilindri.
Il cuore del motore è il cilindro, con il pistone che si muove su e giù all'interno del cilindro. I motori monocilindrici sono tipici della maggior parte dei tosaerba, ma di solito le auto hanno più di un cilindro (quattro, sei e otto cilindri sono comuni). In un motore multicilindrico, i cilindri sono solitamente disposti in uno dei tre modi seguenti:in linea , V o appartamento (noto anche come orizzontalmente opposto o boxer), come mostrato nelle figure a sinistra.
Quindi quel quattro cilindri in linea di cui abbiamo parlato all'inizio è un motore con quattro cilindri disposti in linea. Configurazioni diverse presentano vantaggi e svantaggi diversi in termini di scorrevolezza, costi di produzione e caratteristiche di forma. Questi vantaggi e svantaggi li rendono più adatti a determinati veicoli.
Diamo un'occhiata ad alcune parti chiave del motore in modo più dettagliato.
La candela fornisce la scintilla che accende la miscela aria/carburante in modo che possa avvenire la combustione. La scintilla deve scoppiare proprio nel momento giusto affinché le cose funzionino correttamente.
Le valvole di aspirazione e scarico si aprono al momento opportuno per far entrare aria e carburante e per far uscire lo scarico. Si noti che entrambe le valvole sono chiuse durante la compressione e la combustione in modo che la camera di combustione sia sigillata.
Un pistone è un pezzo cilindrico di metallo che si muove su e giù all'interno del cilindro.
Gli anelli del pistone forniscono una tenuta scorrevole tra il bordo esterno del pistone e il bordo interno del cilindro. Gli anelli hanno due scopi:
La maggior parte delle auto che "bruciano olio" e devono avere un litro aggiunto ogni 1.000 miglia lo bruciano perché il motore è vecchio e gli anelli non sigillano più le cose correttamente. Molti veicoli moderni utilizzano materiali più avanzati per le fasce elastiche. Questo è uno dei motivi per cui i motori durano più a lungo e possono durare più a lungo tra i cambi d'olio.
La biella collega il pistone all'albero motore. Può ruotare su entrambe le estremità in modo che il suo angolo possa cambiare mentre il pistone si muove e l'albero motore ruota.
L'albero a gomiti trasforma il movimento su e giù del pistone in un movimento circolare, proprio come fa una manovella su un jack-in-the-box.
La coppa circonda l'albero motore. Contiene una certa quantità di olio, che si raccoglie sul fondo della coppa (la coppa dell'olio).
Successivamente, impareremo cosa può andare storto con i motori.
Quindi esci una mattina e il tuo motore gira ma non si avvia. Cosa potrebbe esserci di sbagliato? Ora che sai come funziona un motore, puoi comprendere le cose di base che possono impedire a un motore di funzionare.
Possono succedere tre cose fondamentali:una cattiva miscela di carburante, mancanza di compressione o mancanza di scintilla. Oltre a ciò, migliaia di cose minori possono creare problemi, ma queste sono le "tre grandi". Sulla base del semplice motore di cui abbiamo discusso, ecco una rapida carrellata su come questi problemi influiscono sul tuo motore:
Una pessima miscela di carburante può avvenire in diversi modi:
Mancanza di compressione: Se la carica di aria e carburante non può essere compressa correttamente, il processo di combustione non funzionerà come dovrebbe. La mancanza di compressione potrebbe verificarsi per questi motivi:
Il "foro" più comune in un cilindro si verifica dove la parte superiore del cilindro (che tiene le valvole e la candela e noto anche come testata ) si attacca al cilindro stesso. In genere, il cilindro e la testata del cilindro si avvitano insieme a una sottile guarnizione premuto tra di loro per garantire una buona tenuta. Se la guarnizione si rompe, tra il cilindro e la testata si formano dei piccoli fori che provocano perdite.
Mancanza di scintilla: La scintilla potrebbe essere inesistente o debole per diversi motivi:
Molte altre cose possono andare storte. Ad esempio:
In un motore che funziona correttamente, tutti questi fattori funzionano bene. La perfezione non è richiesta per far funzionare un motore, ma probabilmente noterai quando le cose non sono perfette.
Come puoi vedere, un motore ha una serie di sistemi che lo aiutano a fare il suo lavoro di convertire il carburante in movimento. Nelle prossime sezioni esamineremo i diversi sottosistemi utilizzati nei motori.
La maggior parte dei sottosistemi del motore può essere implementata utilizzando diverse tecnologie e tecnologie migliori possono migliorare le prestazioni del motore. Diamo un'occhiata a tutti i diversi sottosistemi utilizzati nei motori moderni, a cominciare dal treno valvole.
Il treno valvole è costituito dalle valvole e da un meccanismo che le apre e le chiude. Il sistema di apertura e chiusura è chiamato albero a camme . L'albero a camme ha dei lobi che muovono le valvole su e giù, come mostrato nella Figura 5 .
La maggior parte dei motori moderni ha quelle che vengono chiamate camme in testa . Ciò significa che l'albero a camme si trova sopra le valvole, come mostrato in Figura 5. Le camme sull'albero azionano le valvole direttamente o tramite un leveraggio molto corto. I motori più vecchi utilizzavano un albero a camme situato nella coppa vicino all'albero motore.
Una cinghia di distribuzione o la catena di distribuzione collega l'albero motore all'albero a camme in modo che le valvole siano sincronizzate con i pistoni. L'albero a camme è orientato per girare a metà della velocità dell'albero a gomiti. Molti motori ad alte prestazioni hanno quattro valvole per cilindro (due per l'aspirazione, due per lo scarico) e questa disposizione richiede due alberi a camme per bancata di cilindri, da cui la frase "doppie camme in testa".
Il sistema di accensione (Figura 6) produce una carica elettrica ad alta tensione e la trasmette alle candele tramite cavi di accensione . L'addebito viene prima trasferito a un distributore , che puoi trovare facilmente sotto il cofano della maggior parte delle auto. Il distributore ha un filo che va al centro e quattro, sei o otto fili (a seconda del numero di cilindri) che ne escono. Questi cavi di accensione inviare la carica a ciascuna candela. Il motore è programmato in modo che solo un cilindro alla volta riceva una scintilla dal distributore. Questo approccio fornisce la massima fluidità.
Nella prossima sezione vedremo come si avvia, si raffredda e fa circolare l'aria.
Il sistema di raffreddamento nella maggior parte delle auto è costituito dal radiatore e dalla pompa dell'acqua. L'acqua circola attraverso i passaggi attorno ai cilindri e quindi viaggia attraverso il radiatore per raffreddarlo. In alcune auto (in particolare Volkswagen Maggiolini precedenti al 1999), così come nella maggior parte delle motociclette e dei tosaerba, il motore è invece raffreddato ad aria (si può distinguere un motore raffreddato ad aria dalle alette che adornano l'esterno di ciascun cilindro per aiutare dissipare il calore.). Il raffreddamento ad aria rende il motore più leggero ma più caldo, diminuendo generalmente la durata del motore e le prestazioni complessive.
Quindi ora sai come e perché il tuo motore rimane freddo. Ma perché la circolazione dell'aria è così importante? La maggior parte delle auto sono normalmente aspirate , il che significa che l'aria fluisce attraverso un filtro dell'aria e direttamente nei cilindri. I motori moderni ad alte prestazioni ea basso consumo di carburante sono turbocompressi o sovraccarico , il che significa che l'aria che entra nel motore viene prima pressurizzata (in modo che più miscela aria/carburante possa essere spremuta in ciascun cilindro) per aumentare le prestazioni. La quantità di pressurizzazione è chiamata boost . Un turbocompressore utilizza una piccola turbina attaccata al tubo di scarico per far girare una turbina di compressione nel flusso d'aria in entrata. Un compressore è collegato direttamente al motore per far girare il compressore.
Poiché il turbocompressore sta riutilizzando lo scarico caldo per far girare la turbina e comprimere l'aria, aumenta la potenza dei motori più piccoli. Quindi un quattro cilindri che beve carburante può vedere la potenza che ti aspetteresti di spegnere da un motore a sei cilindri ottenendo un risparmio di carburante dal 10 al 30 percento in più.
Aumentare le prestazioni del tuo motore è fantastico, ma cosa succede esattamente quando giri la chiave per avviarlo? Il sistema di partenza è costituito da un motorino di avviamento elettrico e un solenoide di avviamento . Quando si gira la chiave di accensione, il motorino di avviamento fa girare il motore di alcuni giri in modo che il processo di combustione possa iniziare. Ci vuole un motore potente per far girare un motore freddo. Il motorino di avviamento deve superare:
Poiché è necessaria così tanta energia e poiché un'auto utilizza un sistema elettrico a 12 volt, centinaia di ampere di elettricità devono fluire nel motorino di avviamento. Il solenoide di avviamento è essenzialmente un grande interruttore elettronico in grado di gestire così tanta corrente. Quando si gira la chiave di accensione, si attiva il solenoide per alimentare il motore.
Successivamente, esamineremo i sottosistemi motore che mantengono ciò che entra (olio e carburante) e ciò che esce (scarico ed emissioni).
Quando si tratta di manutenzione quotidiana dell'auto, la tua prima preoccupazione è probabilmente la quantità di benzina nella tua auto. Come fa il gas che metti in moto le bombole? Il sistema di alimentazione del motore pompa il gas dal serbatoio del gas e lo mescola con l'aria in modo che la corretta miscela aria/carburante possa fluire nei cilindri. Il carburante viene erogato nei veicoli moderni in due modi comuni:iniezione di carburante portuale e iniezione diretta di carburante.
In un motore a iniezione di carburante, la giusta quantità di carburante viene iniettata individualmente in ciascun cilindro o appena sopra la valvola di aspirazione (iniezione di carburante sinistra) o direttamente nel cilindro (iniezione diretta di carburante). I veicoli più vecchi erano a carburatore, in cui gas e aria venivano miscelati da un carburatore mentre l'aria scorreva nel motore.
Anche il petrolio gioca un ruolo importante. La lubrificazione il sistema fa in modo che ogni parte mobile del motore riceva olio in modo che possa muoversi facilmente. Le due parti principali che necessitano di olio sono i pistoni (in modo che possano scorrere facilmente nei loro cilindri) e tutti i cuscinetti che consentono a cose come l'albero motore e gli alberi a camme di ruotare liberamente. Nella maggior parte delle auto, l'olio viene aspirato dalla coppa dell'olio dalla pompa dell'olio, scorre attraverso il filtro dell'olio per rimuovere la sabbia e quindi spruzzato ad alta pressione sui cuscinetti e sulle pareti del cilindro. L'olio quindi gocciola nella coppa, dove viene raccolto di nuovo e il ciclo si ripete.
Ora che conosci alcune delle cose che metti in la tua macchina, diamo un'occhiata ad alcune delle cose che ne escono. Il sistema di scarico include il tubo di scarico e la marmitta. Senza una marmitta, quello che sentiresti è il suono di migliaia di piccole esplosioni che escono dal tuo tubo di scappamento. Una marmitta smorza il suono.
Il sistema di controllo delle emissioni nelle auto moderne è costituito da un convertitore catalitico , una collezione di sensori e attuatori e un computer per monitorare e regolare tutto. Ad esempio, il convertitore catalitico utilizza un catalizzatore e ossigeno per bruciare il carburante inutilizzato e alcune altre sostanze chimiche nello scarico. Un sensore di ossigeno nel flusso di scarico assicura che ci sia abbastanza ossigeno disponibile per il funzionamento del catalizzatore e regola le cose se necessario.
Oltre al gas, cos'altro alimenta la tua auto? L'impianto elettrico è costituito da una batteria e un alternatore . L'alternatore è collegato al motore da una cinghia e genera elettricità per ricaricare la batteria. La batteria rende disponibile l'alimentazione a 12 volt a tutto ciò che nell'auto necessita di elettricità (sistema di accensione, radio, fari, tergicristalli, alzacristalli e sedili elettrici, computer, ecc.) attraverso il cablaggio del veicolo.
Ora che sai tutto sui principali sottosistemi del motore, diamo un'occhiata ai modi in cui puoi aumentare le prestazioni del motore.
Utilizzando tutte queste informazioni, puoi iniziare a vedere che ci sono molti modi diversi per migliorare le prestazioni di un motore. Le case automobilistiche giocano costantemente con tutte le seguenti variabili per rendere un motore più potente e/o più efficiente nei consumi.
Aumenta lo spostamento: Più cilindrata significa più potenza perché puoi bruciare più gas durante ogni giro del motore. Puoi aumentare la cilindrata allargando i cilindri o aggiungendo più cilindri. Dodici cilindri sembra essere il limite pratico.
Aumenta il rapporto di compressione: Rapporti di compressione più elevati producono più potenza, fino a un certo punto. Più si comprime la miscela aria/carburante, però, più è probabile che prenda fuoco spontaneamente (prima che la candela si accenda). Le benzine ad alto numero di ottano impediscono questo tipo di combustione precoce. Ecco perché le auto ad alte prestazioni in genere necessitano di benzina ad alto numero di ottani:i loro motori utilizzano rapporti di compressione più elevati per ottenere più potenza.
Inserisci di più in ogni cilindro: Se riesci a stipare più aria (e quindi carburante) in un cilindro di una determinata dimensione, puoi ottenere più potenza dal cilindro (nello stesso modo in cui avresti aumentando le dimensioni del cilindro) senza aumentare il carburante necessario per la combustione . Turbocompressori e compressori pressurizzano l'aria in entrata per stipare efficacemente più aria in un cilindro.
Raffredda l'aria in entrata: L'aria compressa ne aumenta la temperatura. Tuttavia, vorresti avere l'aria più fresca possibile nel cilindro perché più calda è l'aria, meno si espanderà quando ha luogo la combustione. Pertanto, molte auto turbo e sovralimentate hanno un intercooler . Un intercooler è uno speciale radiatore attraverso il quale passa l'aria compressa per raffreddarla prima che entri nel cilindro.
Fai entrare l'aria più facilmente: Quando un pistone si abbassa nella corsa di aspirazione, la resistenza dell'aria può sottrarre potenza al motore. La resistenza dell'aria può essere ridotta drasticamente inserendo due valvole di aspirazione in ciascun cilindro. Alcune auto più recenti utilizzano anche collettori di aspirazione lucidati per eliminare la resistenza dell'aria lì. Filtri dell'aria più grandi possono anche migliorare il flusso d'aria.
Fai uscire più facilmente lo scarico: Se la resistenza dell'aria rende difficile l'uscita dello scarico da un cilindro, sottrae potenza al motore. La resistenza dell'aria può essere ridotta aggiungendo una seconda valvola di scarico a ciascun cilindro. Un'auto con due valvole di aspirazione e due di scarico ha quattro valvole per cilindro, il che migliora le prestazioni. Quando senti l'annuncio di un'auto che ti dice che l'auto ha quattro cilindri e 16 valvole, quello che dice l'annuncio è che il motore ha quattro valvole per cilindro.
Se il tubo di scarico è troppo piccolo o la marmitta ha molta resistenza dell'aria, ciò può causare una contropressione, che ha lo stesso effetto. I sistemi di scarico ad alte prestazioni utilizzano collettori, grandi terminali di scarico e marmitte a flusso libero per eliminare la contropressione nel sistema di scarico. Quando senti che un'auto ha il "doppio scarico", l'obiettivo è migliorare il flusso di scarico avendo due tubi di scarico invece di uno.
Rendi tutto più leggero: Le parti leggere aiutano il motore a funzionare meglio. Ogni volta che un pistone cambia direzione, consuma energia per fermare la corsa in una direzione e avviarla in un'altra. Più leggero è il pistone, meno energia richiede. Ciò si traduce in una migliore efficienza del carburante e prestazioni migliori.
Inietta il carburante: L'iniezione di carburante consente un dosaggio molto preciso del carburante su ciascun cilindro. Ciò migliora le prestazioni e il risparmio di carburante.
Nelle prossime sezioni, risponderemo ad alcune domande comuni relative al motore inviate dai lettori.
Ecco una serie di domande relative al motore da parte dei lettori e le loro risposte:
Il numero di cilindri che contiene un motore è un fattore importante per le prestazioni complessive del motore. Ogni cilindro contiene un pistone che pompa al suo interno e quei pistoni si collegano e fanno girare l'albero motore. Più pistoni pompano, più eventi di combustione si verificano in un dato momento. Ciò significa che è possibile generare più potenza in meno tempo.
I motori a quattro cilindri sono comunemente disponibili in configurazioni "diritte" o "in linea", mentre i motori a 6 cilindri sono solitamente configurati nella forma più compatta a "V" e quindi sono indicati come motori V6. I motori V6 erano il motore preferito dalle case automobilistiche americane perché sono potenti e silenziosi, ma le tecnologie di sovralimentazione hanno reso i motori a quattro cilindri più potenti e attraenti per gli acquirenti.
Storicamente, i consumatori di auto americane hanno storto il naso davanti ai motori a quattro cilindri, ritenendoli lenti, deboli, sbilanciati e a corto di accelerazione. Tuttavia, quando le case automobilistiche giapponesi, come Honda e Toyota, iniziarono a installare motori a quattro cilindri altamente efficienti nelle loro auto negli anni '80 e '90, gli americani trovarono un nuovo apprezzamento per il motore compatto. I modelli giapponesi, come la Toyota Camry, iniziarono rapidamente a vendere più di modelli americani comparabili
I moderni motori a quattro cilindri utilizzano materiali più leggeri e tecnologia di sovralimentazione, come il motore EcoBoost di Ford, per aumentare le prestazioni del V-6 rispetto ai motori a quattro cilindri più efficienti. L'aerodinamica e le tecnologie avanzate, come quelle utilizzate da Mazda nei suoi progetti SKYACTIV, mettono meno stress su questi motori turbo più piccoli, aumentandone ulteriormente l'efficienza e le prestazioni.
Per quanto riguarda il futuro del V6, negli ultimi anni la disparità tra quattro cilindri e motori V6 si è notevolmente attenuata. Ma i motori V-6 hanno ancora i loro usi, e non solo nelle auto ad alte prestazioni. I camion utilizzati per trainare rimorchi o trasportare carichi necessitano della potenza di un V-6 per svolgere questi lavori. La potenza in questi casi è più importante dell'efficienza.
Pubblicato originariamente:5 aprile 2000
