Il motore a benzina è un tipo di [[motore a combustione interna]] che utilizza la benzina come combustibile per generare energia meccanica. Il funzionamento termodinamico del motore a benzina cerca di approssimare il [[Ciclo di Otto teorico]], costituito da **due isometriche e due adiabatiche.** *Sono ampiamente utilizzati in automobili, motociclette, e vari altri veicoli e macchinari.* Esistono 2 differenti modalità di funzionamento: - **motori a carburazione** --> la benzina allo stato gassoso viene miscelata con l'aria nel **carburatore**; la miscela così creata viene poi aspirata nel cilindro. - **motori a iniezione** --> la benzina viene immessa nel cilindro allo stato liquido attraverso un **iniettore**, il cilindro aspira direttamente dall'esterno l'aria necessaria per la combustione. Il ciclo di funzionamento di un motore a benzina è diviso in 4 fasi + 1 fase di scarico 1. **Aspirazione**: una miscela di aria e benzina viene introdotta nel cilindro del motore attraverso la valvola di aspirazione. 2. **Compressione**: Una volta che la miscela è nel cilindro, il pistone si muove verso l'alto comprimendo la miscela aria-carburante. La compressione aumenta la temperatura e la pressione della miscela, rendendola più predisposta alla combustione. 3. **Accensione**: Quando il pistone raggiunge quasi il punto morto superiore (TDC), una candela genera una scintilla che accende la miscela compressa. La combustione rapida della miscela spinge il pistone verso il basso nel cilindro. 4. **Espansione (lavoro)**: L'energia liberata dalla combustione forza il pistone verso il basso, trasformando l'energia chimica del carburante in energia meccanica utile per far girare l'albero motore. 5. **Scarico**: Infine, il pistone si muove nuovamente verso l'alto espellendo i gas esausti attraverso la valvola di scarico fuori dal cilindro. *Conclusa la fase di scarico può iniziare un nuovo ciclo* ### Approfondimento --- #### Ciclo termodinamico reale Il ciclo di funzionamento di un **motore a benzina a 4 tempi**, è diviso in 4 fasi: 1. **fase di aspirazione:** la valvola VA si apre e dal condotto di aspirazione CA affluisce la miscela di aria e benzina (per i motori a carburazione). A questo punto il pistone si muove verso il basso, dalla posizione più lontana dall’albero motore (punto morto superiore) alla posizione più vicina all’albero motore (punto morto inferiore). 2. **fase di compressione:** il moto del pistone si inverte e inizia la compressione della miscela, durante la quale entrambe le valvole sono chiuse, fino a quando il pistone non è ritornato nel punto morto superiore. 3. **fase di espansione:** a questo punto la candela genera una scintilla che accende la miscela e si ha la combustione, accompagnata da un violento aumento della pressione e temperatura del fluido. Questo spinge il pistone verso il basso e cede lavoro meccanico all'albero motore mentre le valvole sono ancora chiuse (fase utile del ciclo). 4. **fase di scarico:** quando il pistone giunge di nuovo nel punto morto inferiore, si apre la valvola di scarico, il pistone si muove verso l'alto ed i gas combusti sono espulsi. *Infine il pistone ritorna per una seconda volta nel punto morto superiore e può iniziare un nuovo ciclo.* ![[Pasted image 20241216130140.png|400]] #### Valutazioni energetiche Si può dimostrare che il ciclo di Otto è il ciclo di massimo rendimento se sono assegnati i volumi estremi, cioè se $V_{min}=V_1$ e $V_{max}=V_2$. *Per verificarlo, si immagini di suddividere il ciclo di Otto ABCD in infiniti cicli di Otto infinitesimi del tipo abcd.* ![[Pasted image 20241003113112.png|400]] Per ciascuno di essi il lavoro elementare prodotto è pari al lavoro elementare $dL_i$ prodotto dal ciclo di Carnot infinitesimo operante fra le temperature $T_{1,i}$ e $T_{2,i}$ $dL_i=dQ_{1i}\big(1-\frac {T_{2i}}{T_{1i}} \big)$ dLi è massimo quando T2i è minima e T1i è massima; dunque, dLi è massimo quando $V_{1,i}=V_{1,min}=V_1$ e $V_{2,i}=V_{2,max}=V_2$ , cioè quando l'elemento di ciclo è delimitato dalle linee $V=V_1$ e $V=V_2$. Il lavoro totale prodotto dal ciclo ABCD è pari a: $\color {green} L=\int_{s'}^{s"} dL_i$*Se tutti i lavori infinitesimi che costituiscono la somma sono massimi per ogni valore di s, allora anche L sarà massimo; ciò avviene, evidentemente, allorché la BC e la AD coincidono con le linee V=V1, V=V2, cioè quando il ciclo è un ciclo di Otto.* Con ragionamenti del tutto analoghi si può mostrare che, se la BC coincide con la linea a volume specifico costante e eguale a V1, allora il calore ricevuto Q1 è eguale a Q1,max; così come, se la linea DA coincide con la linea a volume specifico costante è eguale a V2, il calore restituito Q2 assume il valore minimo Q2,min. ==Si conclude pertanto che il ciclo di Otto è il ciclo di massimo rendimento energetico fra i due volumi specifici assegnati.== Il ciclo reale dei motori a benzina si discosta alquanto dal ciclo di Otto teorico, in ragione dei seguenti fatti: - la combustione non è istantanea e dunque, già durante questo processo, il pistone comincia a spostarsi verso il basso - nel ciclo reale esistono le fasi di aspirazione e di scarico, che non sono contemplate nel ciclo teorico - la composizione chimico-fisica del fluido varia nel corso del ciclo, a seguito del processo di combustione - sia la compressione che l'espansione non sono adiabatiche, ma avvengono con cessione di calore all'esterno Ciclo reale di un motore a benzina a quattro tempi: ![[Pasted image 20241003115132.png|400]] Il ciclo si compone di due parti: un ciclo motore, racchiuso dalle trasformazioni di compressione, combustione ed espansione, al quale compete il lavoro positivo L(+); un ciclo di lavaggio, racchiuso dalle trasformazioni di scarico e aspirazione, al quale compete il lavoro negativo L(-). Chiaramente L(+) è, in valore assoluto, molto più grande di L(-). #### Visuals --- <div class="iframe-container"> <iframe width="560" height="315" src="https://www.youtube.com/embed/ZQvfHyfgBtA?si=9dyf9pyRO3NfI2rJ&amp;start=3" title="YouTube video player" frameborder="0" allow="accelerometer; autoplay; clipboard-write; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture; web-share" referrerpolicy="strict-origin-when-cross-origin" allowfullscreen></iframe> </div> [How a Car Engine Works](https://youtu.be/ZQvfHyfgBtA)