Caratteristiche e parti del motore

Motori marini e motori terrestri

Per muovere una nave, un'imbarcazione o un mezzo di trasporto in generale abbiamo bisogno di diversi congegni in grado di trasformare una riserva di energia (chimica) in spinta propulsiva. I motori servono proprio a questo: convertono in spinta l'energia termica dovuta alla combustione di carburante.

Tra motori per trazione terrestre e motori marini ci sono alcune macro differenze: innanzitutto, i motori marini possono essere molto più grandi di un qualsiasi motore terrestre per via dei mezzi enormi che devono spingere. Inoltre, i motori marini devono lavorare in ambienti molto aggressivi a livello chimico-fisico: il sale disciolto nel mare attacca e corrode qualsiasi parte in acciaio. Per questo la loro progettazione e costruzione deve prevedere l'utilizzo di acciai inossidabili e vernici protettive.

Esempio di motore navale di grandi dimensioni

Riguardo alla loro forma, possiamo suddividere i motori marini in tre categorie:

• Motori entrobordo: sono montati all'interno dello scafo e trasmettono il moto all'elica attraverso un giunto, dei riduttori di giri e l'asse dell'elica. La necessità di far passare l'asse attraverso lo scafo e a distanza più o meno grande dal motore porta ad avere una serie di sistemi di supporto e di tenuta stagna (astuccio e premistoppa) che impediscono all'acqua di mare di allagare la sala macchine.
  Il motore viene fissato stabilmente alla struttura dall'imbarcazione e, nel caso di grandi navi, esso viene installato direttamente durante la costruzione della struttura della nave stessa.
• Motori fuoribordo: sono montati allo specchio di poppa, sono facilmente rimovibili e trasmettono la potenza del motore direttamente all'elica a loro montata attraverso un albero di trasmissione verticale. I motori fuoribordo possono regolare l'inclinazione verticale del motore rispetto allo specchio di poppa (trim) per migliorare le prestazioni e i consumi secondo le andature.
• Motori entrofuoribordo: questo tipo di motore è un'unione dei due precedenti in quanto presenta un blocco motore di medie-grandi dimensioni stabilmente collegato alla struttura dell'imbarcazione e un gruppo poppiero fuoribordo che contiene le trasmissioni e l'elica stessa. Uno dei vantaggi di questo tipo di motore rispetto a uno entrobordo è proprio la possibilità di variare l'inclinazione del piede poppiero in modo da adeguare il trim all'andatura e di navigare in acque più basse senza il rischio di toccare il fondo con l'elica.

Tutti i tipi di motore fin qui elencati includono un invertitore che permette di invertire il senso di rotazione dell'elica o di separare il motore dall'asse dell'elica. In questo modo si può, quindi, passare dalla marcia in avanti a quella indietro e di mettere in "folle".

Differenze tra motore diesel e benzina

I motori diesel e benzina si basano su cicli termodinamici simili ma non identici: il primo si basa proprio sul ciclo Diesel mentre il secondo sul ciclo Otto. Anche il carburante è diverso per via delle differenze progettuali. Mettiamo a confronto i due tipi di motori secondo le loro macro caratteristiche tecniche:

Anche se il motore benzina è direttamente dipendente dall'impianto elettrico per via della scintilla necessaria alla combustione e per l'avviamento, anche il motore diesel ha bisogno dell'impianto elettrico per l'avviamento. Una volta avviato, il motore diesel continua a funzionare autonomamente anche disconnettendo l'impianto elettrico.

Differenze tra motori a quattro tempi e motori a due tempi

Oltre alla tipologia di ciclo utilizzato, i motori si distinguono anche in base al numero di movimenti del pistone che costituiscono un ciclo completo.

I motori a quattro tempi compiono un ciclo completo in quattro movimenti del pistone che scandiscono le quattro fasi del ciclo termodinamico:

• aspirazione: il pistone si muove verso il basso all'interno del cilindro ed aspira aria (nel caso del motore diesel) o la miscela di aria e carburante (nel caso del motore benzina) attraverso la valvola di aspirazione
• compressione: la valvola di aspirazione si chiude, il pistone torna a muoversi verso l'alto e comprime l'aria (per i diesel) o la miscela di aria e carburante (per i benzina)
• accensione/espansione: nei motori diesel, la compressione dell'aria ne provoca l'aumento di temperatura e, appena l'iniettore immette carburante, la miscela combustibile si incendia spontaneamente; nei motori benzina, è una scintilla scoccata da una candela a provocare la combustione. In seguito alla combustione, i gas si espandono e spingono il pistone verso il basso (fase di trasformazione dell'energia termica in lavoro)
• scarico: la valvola di scarico si apre, il pistone si muove verso l'alto e spinge i gas combusti fuori dal cilindro.

Fonte Zephyris - Opera propria, CC BY-SA 3.0, Link

Il motore a due tempi, invece, compie un ciclo completo in soli due movimenti del pistone.

A differenza del motore a quattro tempi, in quello a due tempi mancano le valvole ma sono presenti delle aperture nelle pareti laterali del cilindro (le cosiddette luci) che vengono aperte e chiuse alternativamente dal passaggio del pistone.

Le fasi del ciclo sono sempre quattro ma alcune di essere avvengono nello stesso momento:

• aspirazione/scarico: il pistone si muove verso il basso e apre prima la luce di scarico e subito dopo quella di immissione. Questa precisa sequenza fa in modo che i gas combusti vengano espulsi dal cilindro dalla restante alta pressione dovuta alla combustione. L'entrata dell'aria fresca contribuisce a "lavare" il cilindro dai residui di gas combusti.
• compressione/accensione/espansione: il pistone si muove verso l'alto, chiude le luci e sigilla il cilindro. Al culmine del suo percorso, l'aria (o la miscela di aria e carburante) è al massimo della compressione ed avviene la combustione (spontanea per il diesel e indotta dalla scintilla per il benzina).

Una delle peculiarità di alcuni tipi di motori a due tempi è che possono utilizzare il carter (cioè l'involucro in cui si trovano le bielle e l'albero a gomiti) come "serbatoio di alimentazione".

Una ulteriore differenza tra le due tipologie di motori è che un motore a quattro tempi effettuerà un ciclo completo nell'arco di due giri dell'albero motore (il pistone va su e giù due volte) mentre un motore a due tempi lo completerà nell'arco di un unico giro dell'albero.

Per unire i concetti fin qui espressi, diciamo che sia i motori diesel che quelli a benzina possono essere sia a due che a quattro tempi.

Componenti dei motori marini a quattro tempi

Qui di seguito presenteremo in dettaglio i componenti più comuni dei motori (marini e non) in modo da comprendere le funzioni dei diversi sistemi che contribuiscono al loro funzionamento. Innanzitutto dobbiamo evidenziare che quando si parla della struttura portante del motore si parla di monoblocco.

Componenti del motore diesel a 4 tempi.
Fonte: Ranger Hope

Meccanismi di apertura e chiusura dei cilindri

Il ciclo termodinamico alla base del funzionamento dei motori richiede che ci siano delle fasi in cui c'è passaggio di materia (aria o aria + carburante) all'interno del cilindro e altre in cui questo sia totalmente sigillato dall'esterno. Inoltre, queste fasi devono essere perfettamente sincronizzate tra di loro.

Per permettere al cilindro di interfacciarsi con l'esterno ci sono le valvole (A). Queste permettono l'immissione di aria (o aria + carburante a seconda del tipo di motore) all'interno del cilindro prima di sigillarlo durante la compressione e la successiva fuoriuscita dei gas di scarico dopo l'espansione. Sono presenti principalmente nei motori a quattro tempi e solo marginalmente in quelli a due tempi e si dividono, appunto, in valvole di aspirazione e valvole di scarico.

Spaccato di valvole e alberi a camme
Fonte: Stahlkocher, CC BY-SA 3.0, Link

Il movimento di apertura e chiusura delle valvole è ottenuto attraverso una serie di componenti meccaniche: l'albero di distribuzione a camme (C) governa il loro moto di apertura mentre la loro chiusura è dovuta a molle che le fanno tornare nella posizione iniziale.

L'albero a camme è un'asta in rotazione, guidata da un ingranaggio (D), su cui si trovano delle camme. Le camme sono elementi eccentrici (cioè non concentrici) dello stesso albero che, ruotando insieme ad esso, applicano una forza su un'estremità dei bilancieri (B) a determinati intervalli temporali. Questa azione causa l'apertura delle valvole.

Funzionamento degli alberi a camme
Fonte: Wikipedia

Conversione dell'energia termica in lavoro

Il pistone (L), insieme alla biella (M) e all'albero a gomiti (N), è il componente che trasforma l'energia termica della combustione prima in moto alternato e successivamente in moto rotatorio.

Schema di funzionamento dell'albero a gomiti
Fonte: NASA

Il pistone è composto a sua volta da diverse parti:

• il cielo è la sua parte superiore e può avere diverse forme atte al miglioramento del ricircolo del carburante iniettato (in modo da permettere una migliore combustione e ridotte emissioni). Nei motori a due tempi il cielo può avere una forma convessa che migliora il "lavaggio" del cilindro e l'espulsione dei gas di scarico.
• lo spinotto è l'elemento che collega il pistone alla biella.
• le fasce elastiche permettono una maggiore tenuta ad alta pressione (dovuta alla combustione e all'espansione dei gas) e sono inserite in apposite scanalature ricavate nelle pareti laterali.
• l'anello raschiaolio riduce la quantità di olio che rimane sulle pareti del cilindro, garantendo lubrificazione senza bruciare olio in camera di combustione.

Tipi diversi di pistone. Si possono notare le diverse forme del cielo.
Fonte: 160SX, CC BY-SA 3.0, Link

Sistema di alimentazione del carburante

Il carburante imbarcato è contenuto nel serbatoio e un indicatore (I) ci può facilmente mostrare quanto ne abbiamo a disposizione. Ma del carburante ce ne facciamo ben poco se non abbiamo un sistema per portarlo in camera di combustione con precise condizioni di purezza e pressione. Per questo motivo, nel motore sono presenti diversi filtri per il carburante (H) e delle pompe di bassa (G) e alta (F) pressione.

I filtri rimuovono dal carburante le particelle di sporco che possono ostruire o rovinare i condotti e aiutano ad evitare problemi alle pompe e agli iniettori.

La pompa a bassa pressione porta il carburante dal serbatoio alla pompa ad alta pressione (detta anche pompa di iniezione) e quest'ultima si occupa di spingerlo fino all'iniettore (E) (nel caso di motore diesel).

L'iniettore è un componente che ha il compito di immettere il carburante in camera di combustione al momento di massima compressione (e massima temperatura). Grazie alla pressione fornita dalla pompa ad alta pressione, l'iniettore può vincere la pressione avversa già presente in camera di combustione e nebulizzare più finemente il carburante all'interno del cilindro per migliorare la combustione.

Sistema di alimentazione dell'aria

Il solo carburante non è sufficiente alla combustione. Per far in modo che questa avvenga, c'è bisogno di una sostanza ossidante. Quella più comune e disponibile è l'ossigeno presente nell'aria e per questo nel motore è installata una scatola dell'aria (X) che, insieme al filtro e a un compressore volumetrico, provvede a fornire aria pulita al motore.

Impianto di raffreddamento

Circuito di raffreddamento primario (in verde) e secondario (in rosso)

I cicli termodinamici alla base del funzionamento dei motori prevedono la combustione di una miscela di carburante e aria. I prodotti di questa combustione sono il lavoro (che viene poi trasformato in spinta dall'elica) e il calore. Le tante parti in movimento e a stretto contatto tra loro (si pensi, ad esempio, al cilindro e al pistone) contribuiscono ad incrementare la quantità di calore in seguito all'attrito tra di loro. Per mantenere controllata la temperatura del motore stesso (evitando danni alle varie componenti) è necessario disporre di un termostato (K) e di uno scambiatore di calore (J). Come dice la parola stessa, questo componente scambia il calore tra il motore e un fluido circostante e, praticamente, lo dissipa.

In genere i circuiti di raffreddamento dei motori sono divisi in due parti: un circuito interno (o primario) che va dal motore allo scambiatore e un circuito esterno (o secondario) che va dallo scambiatore al mondo esterno. Per il circuito interno viene utilizzata dell'acqua distillata che viene fatta circolare in apposite intercapedini all'interno del motore e che si "carica" con l'energia termica del motore; per il circuito esterno, nel caso di trazione terrestre il fluido di scambio è l'aria (attraverso il radiatore) mentre per i motori marini è più semplice utilizzare l'acqua, dato che se ne ha in abbondanza tutto attorno. Tuttavia, immettendo acqua (dolce o salata) direttamente nelle intercapedini nel motore si creerebbero ingenti danni a causa del contenuto di sali e calcare. Per questo motivo, anche i motori marini hanno due circuiti separati.

Per permettere il corretto scambio termico tra i due circuiti di raffreddamento (interno ed esterno), i rispettivi fluidi di scambio devono essere sempre in movimento e, per far ciò, è necessario che vi siano delle pompe. La pompa del circuito primario (O) si basa sulla presenza di una girante in gomma. Per evitare spiacevoli incovenienti, è sempre buona norma verificare lo stato della girante ed, eventualmente, sostituirla se presenta segni di usura. La rottura anche di una sua piccola parte può andare a ostruire i canali nelle intercapedini del motore portando a gravi danni per il mancato scambio termico e l'aumento di temperatura.

Esempio di girante in gomma

Il circuito secondario, invece, si basa su una pompa (P) che pesca acqua da una presa a mare (Q) e la porta fino allo scambiatore di calore. Una volta terminato il percorso di scambio, l'acqua viene immessa nel condotto di scarico e rigettata in mare.
Per evitare danni dovuti all'aumentare della temperatura, bisogna sempre accertarsi della fuoriuscita dello spruzzo di acqua dallo scarico. Nel caso in cui questo manchi, è necessario arrestare il motore e verificare che la presa a mare sia aperta e libera da ostruzioni e che la girante della pompa del circuito esterno sia integra e funzionante.

Sistema di lubrificazione

Per un funzionamento ottimale, il motore ha bisogno di lubrificazione di tutte le sue parti mobili. L'olio motore è contenuto in una coppa alla base del motore stesso e viene distribuito nelle varie zone grazie all'azione di una pompa (S).
Come tutti gli altri sistemi che abbiamo già visto, anche l'impianto dell'olio ha bisogno di un sistema di raffreddamento (R) che utilizza un miniscambiatore, di qualche valvola di bypass (T) per evitare sovrapressioni nel circuito, di un filtro (U) e di un indicatore di livello e pressione (V).