A cura di:
Federico Torti
5 Alt - Liceo Scientifico Tecnologico I.I.S. Alessandrini
A.S. 2004 - 2005
Il Motore a Combustione Interna
rappresenta la più diffusa macchina termica mai realizzata dall'uomo, ed oggigiorno il suo
impiego trova infinite applicazioni. La ragione di una tale capacità di soddisfare le più
disparate necessità deve essere ricercata nella facilità di regolazione e di adattamento proprie
di questa macchina.
Il Motore a scoppio si è adattato velocemente ai bisogni civili ed industriali dell'uomo,
consentendo la realizzazione dell'automobile, della motocicletta, di velivoli e della produzione
di energia laddove era impossibile con altri mezzi.
Ha accorciato le distanze, rendendo possibile viaggiare a velocità sempre maggiori, ed ha
migliorato le comunicazioni, il trasporto delle merci e gli scambi culturali.
Inoltre ha permesso lo sviluppo delle corse automobilistiche e motociclistiche, che
rappresentano uno dei migliori esempi di integrazione tra macchina ed essere umano, nell’
infinita ricerca dell'uomo di superare sé stesso e i limiti naturali.
1
Indice
Motore a scoppio (pag.4):. . . . . . . . . . . . . definizione, struttura, funzionamento e differenze dei
moderni motori termici;
Termodinamica (pag.19):. . . . . . . . . . . . . concetti fondamentali, Secondo Principio della
Termodinamica, rendimento di una macchina termica,
cicli di Carnot e di Stirling. Ciclo “Otto” di un motore
a quattro tempi (sezione Motore a scoppio);
Combustibili derivati dal petrolio (pag.28):. il petrolio e la sua raffinazione, i processi secondari
che portano all’ottenimento delle frazioni più pregiate,
utilizzate per alimentare i motori a combustione
interna;
Storia del motore (pag.38):. . . . . . . . . . . .storia dell’invenzione e dell’evoluzione del motore a
scoppio, avvenuta in un contesto storico di importanti
cambiamenti: la seconda rivoluzione industriale;
Henry Ford (pag.45):. . . . . . . . . . . . . . . . from modest, agrarian Michigan roots he became the
father of 20th century American industry.
Bibliografia (pag.47)
2
Mappa
Mappa concettuale
Storia del motore
Il motore a scoppio
Henry Ford
Termodinamica
Petrolio e derivati
3
Bibliografia
Cos’è e come funziona
il motore a scoppio
Un motore è una macchina il cui funzionamento prevede
l’assorbimento di energia da una sorgente e la sua
trasformazione in lavoro meccanico.
Il motore a combustione interna (endotermico) è chiamato
così perché, a differenza delle macchine che lo hanno
preceduto (come la macchina a vapore di Watt), la
combustione avviene internamente. Il motore endotermico è
la macchina termica più diffusa e versatile mai creata
dall’uomo.
Il motore endotermico è alimentato da una miscela di aria e
benzina, che viene trasformata in lavoro meccanico mediante
il processo di combustione, che produce calore e pressione.
Esistono molteplici tipologie di motori a combustione interna,
che si differenziano per alimentazione, funzionamento o
architettura.
Una prima classificazione può essere fatta in base al movimento dell’organo principale, il
responsabile della trasmissione del moto. Si possono quindi avere:
Motori di tipo rotativo (detti anche motori a fluido);
Motori di tipo alternativo (motori a scoppio).
Il motore a scoppio è sicuramente il motore più largamente utilizzato, oggigiorno.
E’ un motore di tipo alternativo quindi può essere definito anche volumetrico, poiché il ciclo
termodinamico avviene in un volume definito, chiamato cilindrata.
4
Struttura e funzionamento dei diversi motori
Una ulteriore, importante, classificazione viene fatta in base ai movimenti (chiamati corse) del
pistone necessari a chiudere un ciclo di funzionamento: esistono dunque motori a due o a quattro
tempi:
Motore a quattro tempi: il ciclo completo di lavoro si compie in quattro corse del pistone e
in due giri dell’albero motore. La combustione è provocata dalla scintilla che scocca fra le
punte della candela; l’entrata del combustibile nel cilindro e l’uscita del gas combusto sono
assicurate da due luci (aperture) sulla testata, che si aprono e si chiudono mediante valvole;
Motore a due tempi: il ciclo completo di lavoro si compie in due corse del pistone e in un
solo giro dell’albero motore; a differenza del quattro tempi qui mancano gli organi di
distribuzione e di lubrificazione e non esistono valvole.
La lubrificazione è assicurata dall'olio introdotto nel carburante per formare la miscela,
oppure da un miscelatore automatico che provvede ad inserire la quantità d'olio necessaria
ad una buona lubrificazione direttamente nella camera di scoppio.
I motori a combustione interna vengono classificati in base alla cilindrata e alla potenza fornita,
misurata in cavalli-vapore.
5
I disegni evidenziano le differenze strutturali tra un motore a due tempi ed un motore a quattro tempi:
Disegno di un motore a due tempi
Disegno di un motore a quattro tempi
6
Il motore, nel suo insieme, è
essenzialmente costituito da un cilindro
entro cui scorre uno stantuffo (pistone) al
quale sono collegati biella ed albero
motore, incaricati di trasformare il moto
alternato in moto circolare da trasmettere
alle ruote motrici.
Qui sopra è riportato il cinematismo del
funzionamento di un motore a scoppio,
composto da quattro cilindri in linea
(quadricilindrico). Sono evidenziate in
azzurro le bielle e in verde l’albero motore,
i bilancieri e il volano.
7
L’ animazione a lato mostra dettagliatamente come si
compie un ciclo in un motore a quattro tempi, che
avviene mediante quattro corse del pistone (due
ascendenti e due discendenti) necessarie a svolgere le
sei fasi che compongono il ciclo stesso.
Il filmato evidenzia il movimento degli alberi a camme
posti alle estremità superiori, il cui compito è di
“spingere” verso il basso le valvole per aprire le luci di
aspirazione e scarico, e permettere così alla miscela
fresca di entrare in camera di scoppio e ai gas
combusti di uscire attraverso l’impianto di scarico.
Il movimento di ritorno delle valvole è dato da
meccanismi pneumatici o meccanici (come il sistema
Desmodromico impiegato da Ducati).
Albero a camme
Richiamo valvole Desmodromico
8
Il filmato a lato mostra in modo
dettagliato ciò che avviene a livello
di camera di combustione durante
un ciclo completo di funzionamento.
Qui sopra è stato riportato il
cinematismo della distribuzione
(albero a camme e valvole) in un
motore a quattro cilindri.
In verde sono evidenziate le
camme, il cui profilo incide
sensibilmente sul carattere e sulle
prestazioni di un motore.
9
Le fasi del motore
Aspirazione: il pistone, dal punto morto superiore (PMS), procede verso il basso aspirando la
miscela attraverso le valvole di aspirazione;
Compressione: le valvole si chiudono; una volta raggiunto il punto morto inferiore (PMI), il pistone
risale verso la testa comprimendo il fluido;
Esplosione: la candela provoca l’accensione della miscela compressa, nell’istante appena successivo
al raggiungimento, da parte del pistone, del punto morto superiore (PMS); in camera di scoppio si
raggiungono elevatissime temperature e pressioni;
Espansione: in seguito all’esplosione della miscela, il pistone viene spinto verso il basso fino al PMI
e la sua temperatura decresce notevolmente; questa è la fase attiva del ciclo, l’unica durante la quale
viene prodotto lavoro;
Uscita dei gas: il pistone si trova al PMI e l’apertura delle valvole di scarico ha come risultato la
fuoriuscita di gran parte dei gas per depressione e il loro conseguente raffreddamento;
Espulsione: il pistone opera l’ultima corsa ascendente, grazie alla quale vengono espulsi i rimanenti
gas combusti, e termina il ciclo;
10
Il disegno rappresenta un ciclo di funzionamento di un motore a scoppio a quattro tempi; spesso,
come in questa rappresentazione, la quinta e la sesta fase (Uscita dei gas ed Espulsione) che in
realtà si compiono quasi simultaneamente, vengono rappresentate come una fase sola.
Il funzionamento del motore a quattro tempi è basato su un ciclo termodinamico chiamato “ciclo
Otto”, che prende il nome dal famoso ingegnere tedesco. Il ciclo, ideale, è composto da sei fasi, delle
quali solo quattro comportano movimenti del pistone.
11
Il ciclo Otto
Il ciclo del motore a quattro tempi (ciclo Otto) può essere schematizzato in un diagramma pressionevolume come segue:
Ciclo Otto ideale
Ciclo Otto reale
E’ riferito al funzionamento di un motore ideale, che funzioni molto lentamente, nettamente diverso
dal funzionamento di un motore a scoppio reale, dove le trasformazioni avvengono così velocemente
da non trovarsi mai in uno stato di equilibrio. Ovviamente un motore a quattro tempi è tanto migliore
quanto più riesce ad avvicinarsi alla teoria, cioè al ciclo Otto.
12
Il primo tempo (aspirazione) è rappresentato dalla isobara AB, che ha luogo alla pressione
atmosferica e alla temperatura dei cilindri del motore;
Il secondo tempo (compressione) è rappresentato dalla adiabatica BC, durante il quale la
compressione provoca l’aumento della pressione e della temperatura della miscela, che avviene senza
scambi di temperatura con l’esterno;
Il terzo tempo (esplosione) è rappresentato dalla isocora CD. La temperatura e la pressione del
gas aumentano rapidamente a causa della combustione della miscela, il volume resta inizialmente
inalterato poiché il pistone non fa in tempo a muoversi;
Il quarto tempo (espansione) è rappresentato dall’adiabatica DE, durante il quale la temperatura
dei prodotti della combustione si abbassa;
Il quinto tempo (uscita dei gas) è rappresentato dall’isocora EB, lungo la quale la pressione del
gas si abbassa fino alla pressione atmosferica a causa dell’apertura delle valvole di scarico;
Il sesto tempo (espulsione) è rappresentato dall’isobara BA, durante il quale la corsa ascendente
del pistone espelle i gas combusti dalla camera di scoppio e completa così il ciclo.
13
Il motore diesel
Il motore diesel, inventato nel 1893 dall’ingegnere tedesco Rudolf Diesel,
differisce dal tradizionale motore a benzina per diversi aspetti: il
combustibile utilizzato per il funzionamento è il gasolio, che presenta
proprietà antidetonanti decisamente maggiori rispetto alle benzine, e viene
iniettato direttamente all’interno della camera di combustione, attraverso
iniettori elettronici che polverizzano il combustibile in minutissime gocce.
L’altra grande differenza con i motori a benzina risiede nel metodo utilizzato
per provocare l’accensione della miscela, che non prevede l’utilizzo della
candela: la combustione viene provocata attraverso l’incremento della
compressione durante la seconda fase, che porta ad un aumento di
temperatura tale da innescare la reazione senza l’ausilio della scintilla.
Il primo motore Diesel, 1893
Qui a lato è riportato il ciclo Diesel teorico, nel quale, a differenza del
ciclo Otto, la combustione avviene più gradualmente e, teoricamente,
a pressione costante.
Il motore Diesel presenta molti vantaggi rispetto al motore benzina,
soprattutto in termini di consumi, erogazione della potenza e durata
del motore.Queste caratteristiche, unite alla crescente tendenza a
dotare questo tipo di motori di turbine (Turbodiesel), al fine di
incrementarne le prestazioni, sono i cardini del crescente successo dei
motori alimentati a gasolio.
14
Il motore Wankel
L'idea del motore rotativo è quella di convogliare in un percorso approssimativamente circolare i
quattro tempi del "ciclo Otto" dei motori a scoppio:
Rispetto ai motori a pistoni, il principale
vantaggio del motore rotativo Wankel sta nel
fatto che quest'ultimo ha solo DUE parti in
movimento.
Il "cilindro" del motore Wankel (più
propriamente, lo statore) è in effetti un cilindro
ovale (un trocoide) che ospita un rotore di forma
approssimativamente triangolare, la cui rotazione
produce continuamente tre "camere";
allargandole e restringendole durante il moto,
crea la parte "piatta" del rotore, creando così la
compressione per lo scoppio.
Il rotore mantiene separate le tre camere
"strisciando" sulla parte interna dello statore e
muovendo direttamente l'albero motore che sta
al suo centro. Non ci sono valvole, albero a
camme, cinghie, e - ad eccezione degli attriti
dovuti allo strisciamento - tutta la potenza
prodotta è scaricata sull'albero motore.
Cinematismo del funzionamento di un motore rotativo
(Wankel)
15
Col movimento del rotore nello statore, le tre
"camere", solidali con i tre lati del rotore ma limitate
dalla forma dello statore, cambiano posizione e
volume: idealmente, sarebbe come avere tre cilindri
senza il limite del loro movimento lineare e della
loro complessità meccanica!
Dunque il motore Wankel è assai più leggero di un
equivalente a benzina, più affidabile (perché più
semplice, presenta meno parti in movimento) con
assai meno vibrazioni (perché il moto è circolare
anziché lineare) con una risposta migliore (perché
non soggetta al sistema delle valvole), meno
inquinante (perché la combustione è più "fredda" e
quindi rilascia una quantità minore di NOx) e perfino
più silenzioso.
Foto di un motore rotativo a doppia candela
(Twin Spark)
16
Sviluppi futuri
Gli sviluppi futuri del motore a combustione interna prevedono differenti scenari possibili. Oggi
assistiamo al grande sviluppo di motori Diesel, che hanno tuttora un margine di miglioramento
superiore ai motori a benzina con iniezione indiretta.
Tuttavia nel breve periodo si assisterà anche ad un
intenso sviluppo del motore a benzina ad iniezione
diretta, che preannuncia ottime prestazioni, sia in
termini di potenza che di consumi e di emissioni
inquinanti. Successivamente alcuni studiosi
prevedono che quando la domanda di petrolio non
sarà più soddisfatta dalla sua produzione, allora i
sistemi di propulsione si dirigeranno su fonti di
energia di tipo rinnovabile.
Le vetture a motore elettrico, quelle ibride motore
elettrico - motore termico, quelle alimentate a celle
a combustibile, e quelle che utilizzano motori
tradizionali alimentati ad idrogeno sono tutti scenari
possibili e realizzabili nei prossimi dieci o vent'anni.
Prototipo di auto sportiva alimentata ad idrogeno
Tuttavia il legame esistente tra l'uomo ed il motore a combustione interna sarà duro a morire, per
una grande quantità di ragioni, da quelle affettive a quelle legate alle competizioni sportive. Pertanto
è difficile stabilire ora quale delle strade prospettate sia quella che ha maggiori probabilità di
dominare sulle altre.
Dal punto di vista tecnico sono tutte quante percorribili, dunque saranno essenzialmente ragioni di
natura politico-economica a stabilire quali motori utilizzeremo nelle prossime decadi.
17
Mappa
Termodinamica
La termodinamica è la parte della fisica che si occupa di studiare le leggi con cui i corpi scambiano
(ricevono e cedono) calore e lavoro con l’ambiente che li circonda.
In particolare, la termodinamica si occupa delle trasformazioni di calore in lavoro che hanno luogo in
tutte le macchine termiche.
Essa spiega e prevede il comportamento dei sistemi
termodinamici, ed è fondata su due princìpi:
Il primo principio della termodinamica tiene conto
non solo del lavoro, ma anche del calore come forma di
trasferimento dell’energia;
Il secondo principio della termodinamica stabilisce
precise limitazioni alla possibilità di trasformare lavoro
in calore;
Esiste anche un terzo principio che si occupa dell’equilibrio
termico tra corpi, e prende il nome di “principio zero della
termodinamica”:
Il principio zero della termodinamica afferma che se
un corpo A è in equilibrio termico con un corpo C e
anche un corpo B è in equilibrio termico con C, allora A
e B risulteranno essere in equilibrio termico tra loro.
18
Le trasformazioni termodinamiche
Esistono tre tipi fondamentali di trasformazioni:
le trasformazioni isoterme: avvengono a temperatura costante, per il gas perfetto tale
trasformazione è rappresentata da un arco di iperbole equilatera;
le trasformazioni isobare: avvengono a pressione costante, in un grafico pressione-volume
sono rappresentate da un segmento parallelo all’asse delle ascisse;
le trasformazioni isocore: avvengono a volume costante, in un diagramma pressione-volume
sono rappresentate de un segmento parallelo all’asse delle ordinate;
Trasformazione isoterma
Trasformazione isobara
19
Trasformazione isocora
Altri tipi di trasformazioni hanno grande importanza in termodinamica:
le trasformazioni adiabatiche: avvengono senza scambio di calore tra il sistema fisico in
esame e l’ambiente esterno;
le trasformazioni cicliche: sono trasformazioni nelle quali lo stato di partenza coincide con
quello finale, nel diagramma pressione-volume sono rappresentate de linee chiuse;
Q tot = W tot
le trasformazioni quasistatiche: sono trasformazioni che avvengono in modo estremamente
lento, tali che il sistema in esame passa da uno stato iniziale A ad uno stato finale B
attraversando una successione di infiniti stati di equilibrio. Questo tipo di trasformazioni
possono essere rappresentate in un diagramma pressione-volume mediante linee continue;
le trasformazioni reali: il comportamento di un gas nel corso di una trasformazione reale è
così complesso e casuale da rendere vano ogni tentativo di descriverlo in modo completo.
Durante la trasformazione volumi diversi dello stesso gas presentano, a ogni istante fissato,
pressioni e temperature diverse.
Perciò una trasformazione reale non può essere rappresentata su un diagramma pressione-volume da
una linea continua, bensì da una specie di “fuso”.
20
Secondo principio della termodinamica
In questa sezione ci occuperemo del secondo principio della termodinamica, sul quale si basa il
funzionamento di una macchina termica come il motore a scoppio.
Una macchina termica è un dispositivo in grado di compiere un lavoro continuativo a spese
dell’energia interna ricevuta mediante scambi di calore. In termodinamica, il funzionamento di una
macchina termica è descritto da una trasformazione ciclica.
E’ importante che il dispositivo produca lavoro in modo continuativo, poiché un motore deve poter
funzionare per un tempo indefinito.
Una macchina termica, per poter funzionare, necessita di almeno due sorgenti di calore, una detta
“caldaia” che riscaldi il fluido, provocando la sua espansione, ed una chiamata “refrigerante”, che
raffreddi il fluido in modo da chiudere il ciclo.
Lord Kelvin
e
Rudolph Clausius
21
Enunciati del secondo principio
Sappiamo, come confermato dalle esperienze di Joule, che è possibile trasformare completamente il
lavoro in calore.
Trasformazioni complete di lavoro in calore le possiamo ritrovare ogni volta che sono in gioco delle
forze di attrito.
Ad esempio la frenata di un’automobile trasforma completamente l’energia cinetica del mezzo in
calore dei dischi freno e degli pneumatici.
Non è però sempre possibile il contrario, ovvero trasformare completamente il calore in lavoro.
Il secondo principio della termodinamica stabilisce precise limitazioni a questa operazione, ed è
espresso da due enunciati, equivalenti dal punto di vista logico e fisico: quello di Lord Kelvin e quello
di Clausius.
Enunciato di Lord Kelvin: afferma che è impossibile realizzare una trasformazione il cui unico
risultato sia quello di assorbire una determinata quantità di calore da un’unica sorgente di
calore e trasformarla integralmente in lavoro.
Ovvero i corpi con cui il sistema deve scambiare calore devono essere almeno due:
W tot = Q2 - |Q1| > 0
Enunciato di Clausius: afferma che è impossibile realizzare una trasformazione il cui unico
scopo sia quello di far passare calore da un corpo più freddo ad uno più caldo;
Ovvero il calore non passa mai spontaneamente dai corpi freddi a quelli caldi, il flusso
spontaneo del calore tende sempre a livellare le differenze di temperatura.
22
Rendimento e terzo enunciato
Per indicare la qualità della macchina termica, ovvero la capacità di convertire calore in lavoro, è
stata definita una nuova grandezza termodinamica: il rendimento.
Esso è definito come il rapporto tra il lavoro totale (W tot) prodotto in un ciclo e la quantità di calore
(Q2) che la macchina preleva ad ogni ciclo dalla sorgente a temperatura maggiore.
W tot
R = _______
Q2
Per un dispositivo che lavora tra due sorgenti di calore (Q1 e Q2), ricordando che in una
trasformazione ciclica il lavoro è dato da W tot = Q2 - |Q1|, si ha che:
|Q1|
R = 1 - ______
Q2
Tenendo conto del fatto che |Q1| <= Q2 e che secondo Lord Kelvin Q1 deve essere diverso da zero,
il rendimento di una macchina termica è sempre compreso tra i valori di 0 e 1, e non può assumere il
valore 1.
Dopo queste considerazioni è possibile considerare un terzo modo di enunciare il secondo principio
della termodinamica, ovvero è impossibile progettare una macchina termica che abbia rendimento
pari ad 1.
23
Cicli di Carnot e di Stirling
E’ necessario introdurre il concetto di macchina reversibile:
Una macchina reversibile è un dispositivo che compie una trasformazione ciclica reversibile.
Se tale trasformazione è composta da più fasi, ognuna di esse deve essere una trasformazione
reversibile.
Il teorema di Carnot stabilisce che, data una macchina reversibile R, il cui rendimento è Rr, e un’altra
macchina qualunque S, dal rendimento Rs, le quali lavorano tra le stesse due temperature, si ha
sempre che Rr >= Rs, dove il segno di uguale vale solo se anche S è reversibile.
Il ciclo di Carnot (vedi grafico a lato) è la
realizzazione pratica, anche se ideale, del teorema
di Carnot.
E’ una trasformazione ciclica reversibile che avviene
utilizzando due sole sorgenti di calore. Si riferisce
ad un fluido contenuto in un cilindro chiuso munito
di pistone.
E’ costituito da quattro fasi consecutive:
un’espansione isoterma, un’espansione adiabatica,
una compressione isoterma ed una compressione
adiabatica.
Al termine della trasformazione, la macchina ha
compiuto un lavoro uguale all’area di piano
delimitata dal grafico.
24
Il disegno a lato raffigura il ciclo di funzionamento di una macchina di Carnot, ovvero una macchina
termica che lavora tra due sorgenti di calore T1 e T2, con T1 < T2, secondo il ciclo di Carnot.
25
Il ciclo di Stirling è costituito anch’esso da quattro fasi: un’espansione isoterma, una trasformazione
isocora che diminuisce pressione e temperatura, una compressione isoterma ed un’altra
trasformazione isocora che riporta il sistema allo stato iniziale.
E’ un ciclo decisamente più complesso di quello di Carnot, perché sono necessarie infinite sorgenti di
calore per eseguire le trasformazioni isocore, ma presenta le stesse caratteristiche rilevanti, ovvero
lavora tra due temperature T1 e T2.
Massimo rendimento
Facendo uso del ciclo di Stirling, si può dimostrare che il massimo rendimento di una macchina
termica che lavora tra le temperature T1 e T2 ( con T2 > T1), è stabilito da:
T1
R = 1 - _____
T2
Che pone un limite massimo all’efficienza di ogni macchina realizzabile che lavori tra le temperature
T1 e T2, visto che il rendimento di una macchina reale (irreversibile) è sempre minore di quello di
una macchina reversibile.
26
Mappa
Petrolio e combustibili
Con il termine “petrolio” si designa un
insieme di idrocarburi più o meno complessi
che si trovano sotto forma gassosa (molecole
da 1 a 5 atomi di carbonio), liquida
(molecole da 6 a 16 atomi di carbonio) o
solida (più di 16 atomi di carbonio). Il
petrolio da commercio è liquido poiché le fasi
solida e gassosa rimangono in soluzione. Il
nome deriva da Petroleum (olio di pietra),
utilizzato per la prima volta intorno al 1550
dal tedesco Giorgio Agricola.
Il petrolio greggio (non ancora raffinato) si presenta come un liquido oleoso, infiammabile, di colore
variabile dal giallastro al nero e dotato di attività ottica. La composizione del petrolio varia in base al
rapporto dei principali costituenti (paraffine, nafteni, sostanze aromatiche, bitume),si possono così
trovare petroli paraffinici, naftalenici, misti ed arenici. La formazione del petrolio è dovuta alla
decomposizione di sostanze organiche, provenienti da organismi acquatici del regno animale e del
regno vegetale (microrganismi, alghe ecc.), a opera di batteri aerobi e soprattutto anaerobi, cioè in
ambiente privo di ossigeno.
Il trattamento base è la distillazione frazionata, con cui il petrolio viene suddiviso in un numero
considerevole di frazioni caratterizzate ciascuna da un intervallo (crescente) di temperatura di
ebollizione. Oltre alla frazione gassosa, si hanno: oli minerali leggeri, oli medi, oli pesanti, residui
solidi.
27
Destinazioni dei principali prodotti ricavati dal petrolio
Solo le frazioni pesanti e i residui possono essere immessi sul mercato direttamente. Gli oli leggeri,
sottoposti a una seconda distillazione, possono essere oggetto di tre trattamenti: stabilizzazione,
reforming, raffinazione. La stabilizzazione dà gas utilizzabili nei bruciatori delle raffinerie o per
ottenere benzine in seguito al processo di polimerizzazione. Il reforming è un processo simile al
cracking, che serve a diminuire il potere detonante delle benzine. La raffinazione ha lo scopo di
eliminare dalle benzine le impurità. In generale, un procedimento di eccezionale importanza nella
lavorazione del petrolio è il cracking, con cui è possibile ottenere prodotti leggeri (benzine nella quasi
totalità) dalle frazioni pesanti e dai residui. Un altro processo è costituito dalla polimerizzazione
catalitica.
28
Raffinazione del petrolio
Nonostante i potere calorifico del petrolio si molto alto, la diversità delle molecole che lo compongono
e la loro varia struttura non ne permettono una proficua utilizzazione come combustibile diretto.
La raffinazione del petrolio ha lo scopo di raccogliere separatamente le molecole dello stesso tipo e
dello stesso peso in modo da ottenere frazioni uniformi. Avviene tramite il processo di distillazione
frazionata.
Schema della raffinazione del petrolio
29
Il petrolio grezzo viene immesso per mezzo di tubi di
acciaio in un riscaldatore, dove la temperatura oscilla tra i
315 e i 370 °C. I vapori di petrolio vengono poi iniettati
nella colonna di frazionamento, o torre a piatti.
Nella colonna di frazionamento i gas, passando attraverso
una serie di piatti forati, salgono verso l'alto,
raffreddandosi. Alle diverse temperature si condensano,
ritornando allo stato liquido. Ricadendo si depositano sui
piatti, dando così luogo alla separazione delle diverse
frazioni di idrocarburi.
Nel punto più basso della colonna si condensano oli
combustibili, lubrificanti, paraffine, cere e bitumi, tra i
350° e i 250° C si condensa il gasolio, utilizzato come
combustibile per motori diesel e per il riscaldamento
domestico. Tra 250° e 160° C il kerosene, un combustibile
oleoso usato come propellente per aerei a reazione e
impianti di riscaldamento.
Tra i 160° e i 70 ° C condensa la nafta, una sostanza
liquida usata come combustibile e, come materia prima,
per produrre materie plastiche, farmaci, pesticidi,
fertilizzanti. Le benzine condensano tra i 70° e i 20° C.
Sono usate, principalmente, come carburante per
automobili ed aerei. A 20° C, rimangono gassosi metano,
etano, propano e butano. In particolare, butano e
propano, formano il combustibile denominato GPL.
30
Colonna di frazionamento
In una raffineria, oltre alla distillazione frazionata, si svolgono altri processi, per ricavare ulteriori
quantità di prodotti pregiati o per migliorare la qualità dei prodotti ed adeguarli alle richieste del
mercato.
Ad esempio, in impianti, denominati di "Cracking", è possibile spezzare le catene idrocarburiche più
lunghe. Questo procedimento permette di trasformare prodotti poco pregiati in benzine e gasoli.
Attraverso il "Reforming catalitico", viene aumentato il numero di ottani nelle benzine, con la
"Desolforazione" si riduce quasi totalmente il contenuto di zolfo nei gasoli.
31
Cracking e reforming
Il cracking, o decomposizione termica, è un processo che da lunghe molecole inutilizzabili conduce a
molecole corte, più adatte per essere utilizzate nei motori.
Il processo di rottura (cracking, appunto)
viene condotto ad alta temperatura (450550°C) e a forte pressione; per ottenere
molecole che presentino un numero di
atomi di carbonio ben definito si impiegano
catalizzatori che dirigono la reazione nel
senso desiderato (cracking catalitico). I
materiali catalizzanti sono argille naturali o
sintetiche.
Per evitare la formazione di residui
carboniosi si pratica contemporaneamente
un’idrogenazione.
Il cracking catalitico permette di migliorare
la qualità del prodotto e di operare a
temperature e pressioni ridotte.
Possiamo considerare il cracking come il
trattamento chiave nella raffinazione delle
benzine.
La foto rappresenta l’area di una raffineria dove viene
praticato il Cracking catalitico.
32
Il processo chiamato reforming, invece, consiste nel cambiare la disposizione spaziale degli atomi che
costituiscono le frazioni leggere destinate ad essere impiegate come combustibili nei motori a
scoppio, in modo da innalzare il loro potere antidetonante.
Il reforming, o riassestamento, avviene per riscaldamento delle benzine derivate da cracking e
spesso i due processi vengono portati avanti insieme.
Le alte temperature (circa 500°C) e la presenza di catalizzatori alluminosi e platino in polvere
provocano la mobilizzazione degli atomi delle grosse catene lineari e il loro successivo riassestamento
in molecole cicliche e ramificate, che reagiscono con maggiore difficoltà con l’ossigeno. Ecco il motivo
dell’incremento del potere antidetonante.
Processo vacuum ed etilazione delle benzine
Il residuo semisolido del topping contiene una gran quantità di prodotti interessanti.
Per distillarli separatamente si dovrebbero raggiungere temperature così elevate da demolire le
molecole stesse; perciò si procede con una particolare distillazione sotto vuoto (vacuum):
diminuendo la pressione si abbassa anche il punto di ebollizione di qualsiasi sostanza, ed è perciò
possibile separare le varie frazioni agendo a temperature che le lascino inalterate.
Esiste un secondo processo che permette di rendere indetonanti le benzine oltre al reforming:
l’aggiunta di catalizzatori negativi che rallentano le reazioni di combustione.
La sostanza più utilizzata a questo scopo è il piombo tetraetile, molto tossico poiché durante la
reazione di combustione libera atomi di Piombo, il cui impiego è soggetto a progressive limitazioni
nelle legislazioni di vari paesi, tra cui quelli della CEE.
33
Classificazione delle benzine
La benzina è una miscela di idrocarburi liquidi alifatici e
aromatici provenienti dalla distillazione del petrolio, usata,
spesso con aggiunta di vari additivi, come carburante per
motori a combustione interna.
Vengono chiamate benzine i prodotti derivati dal topping e dal
vacuum, che costituiscono le frazioni leggere distillate entro i
225°C.
La classificazione delle benzine tiene conto di parametri quali: il
grado di raffinazione, il numero di ottano e il comportamento
alla distillazione.
Una benzina non deve essere troppo volatile, deve passare
con regolarità allo stato gassoso nella fase di aspirazione dei motori a 2 e 4 tempi e non deve
contenere zolfo e residui gommosi o resinosi che possano dar luogo a depositi carboniosi all’interno
della camera di scoppio.
Le benzine si dividono in: benzine per autotrazione, combustibili per motori diesel, kerosene, benzine
avio, combustibili per motori a reazione e benzine solventi per uso industriale.
In seguito ci occuperemo delle prime due tipologie, che vengono utilizzate per alimentare i comuni
motori a combustione interna, sia a ciclo otto sia diesel.
34
Benzine per autotrazione
Le benzine per autotrazione (benzine di categoria A), si suddividono in “benzine normali” con numero
di ottano pari a 72, e “benzine super”, con numero di ottano pari a 90.
Umidità e componenti acidi devono essere assenti, lo zolfo non deve essere presente per più dello
0,2%; Le gomme attuali (residui gommosi presenti dopo aver fatto evaporare completamente la
benzina a 160°C in corrente d’aria) devono essere inferiori a 10mg/100cm cubi di benzina.
La benzina verde
Caratterizzata dal bassissimo contenuto di piombo (inferiore a 0,0013 g/l), da un tenore di benzene
tra il 4 e il 5,5% in peso e da un contenuto di idrocarburi aromatici tra il 40 e il 50%, consente di
mantenere un rapporto di compressione ancora sufficientemente alto da non penalizzare il
rendimento del veicolo.
Tuttavia è fonte di nuove forme di inquinamento altrettanto pericolose e pertanto deve essere
abbinata a un particolare apparato di carburazione e scarico, noto come marmitta catalitica, che
cattura e neutralizza fino al 95% delle sostanze contenute nei gas di scarico.
35
Il numero di ottano
E’ un indice riferito a una scala, in cui all'isoottano puro (poco detonante) è assegnato il valore 100,
mentre al normal-eptano (molto detonante) é assegnato il valore 0.
Negli idrocarburi paraffinici (alcani) il potere antidetonante è tanto più elevato quanto più la loro
catena di atomi di carbonio è ramificata: gli idrocarburi cicloparaffinici (cicloalcani), e ancor più quelli
aromatici, presentano un potere antidetonante maggiore di quello degli idrocarburi paraffinici aventi
lo stesso numero di atomi di carbonio e struttura lineare
Combustibili diesel
Nei motori a ciclo Diesel, contrariamente a quanto avviene in quelli a ciclo Otto, vengono impiegati
oli medi e pesanti, iniettati direttamente nei cilindri.
Esistono varie categorie di combustibili per motori diesel, ma sicuramente il più largamente
impiegato è il gasolio.
Le caratteristiche più importanti per un gasolio sono le proprietà di accensione, la viscosità, il
contenuto in zolfo.
Relativamente alle proprietà di accensione, le norme prescrivono un numero di cetano minimo di 47,
per facilitare l’avviamento e ridurre le vibrazioni e i fumi di scarico. La viscosità deve essere tale da
non impedire il flusso di combustibile agli iniettori e, come per le benzine, il contenuto in zolfo deve
essere nei limiti accettabili per evitare l’originarsi di depositi e prodotti corrosivi.
36
Mappa
Nascita del motore a scoppio
Il motore a scoppio, o motore a combustione interna, fu il risultato di una lunga serie di studi,
ricerche ed esperimenti che videro impegnati numerosi scienziati europei dalla metà dell’ 800 fino ai
primi anni del ‘900.
L'origine del Motore a scoppio risale alla metà del XIX secolo, quando in diverse regioni europee
iniziarono i primi esperimenti nel tentativo di produrre energia meccanica dal calore.
All'inizio del 1800 Lebon d'Humbersin compie i primi esperimenti con gas illuminante, nel 1824
Carnot pubblica le sue "Riflessioni sul potere del calore di indurre movimento" e negli anni seguenti
Brown, Wright e Barrnet realizzano in Inghilterra alcuni motori a gas.
Ma il primo motore funzionante con regolarità fu quello di Barsanti e Matteucci, del quale furono
depositati i disegni ed una precisa descrizione nel 1853 e al quale fanno riferimento diversi brevetti in
Inghilterra, Francia, Belgio e Italia.
A tutti gli effetti questo deve essere riconosciuto come il primo motore a combustione interna.
Eugenio Barsanti e Felice Matteucci
37
Il motore di Barsanti e Matteucci, frutto di una
collaborazione professionale nata nel 1851, era
costituito da un cilindro in ghisa verticale
munito di stantuffo e valvole, ed il rendimento
globale si attestava intorno al 14%.
Un motore Barsanti-Matteucci
Successivamente, nel 1860, Lenoir
realizzò un motore molto simile, che però
funzionava ad azione diretta, con un
rendimento del 4%.
Tuttavia, grazie anche al supporto del
governo francese, questo motore ebbe
un notevole successo: fu il primo motore
a combustione interna ad essere
impiegato nel settore industriale.
Nello stesso anno Beau de Rochas
inventa e studia teoricamente il ciclo a
quattro tempi così come lo intendiamo
oggi, ma non costruisce alcuna macchina
pratica che lo realizzi.
Il motore Lenoir del 1860
38
Nel 1867 i tedeschi A. Otto ed E.
Langen presentano un motore
sostanzialmente uguale a quello di
Barsanti e Matteucci
all'Esposizione Internazionale di
Parigi, con un rendimento del
12%. Nonostante le enormi
dimensioni e le notevoli
vibrazioni,questo motore sostituì
ben presto il motore Lenoir.
Il motore Otto-Langen del 1867
Nel 1876 gli stessi inventori realizzarono un motore
a quattro tempi basato sul ciclo di Beau de Rochas,
che ebbe un tale successo che oggi indichiamo col
nome di “ciclo Otto” quello ideato da Beau de
Rochas.
Negli anni che seguirono, l'impiego dei motori a
scoppio ebbe una notevole diffusione ed il loro
sviluppo fu portato avanti da molte persone sia in
Europa che in America.
Il prof. August Otto
39
L'invenzione del motore a due tempi ad opera di Clerk si
ebbe nel 1879.
Qualche anno più tardi, nel 1882, Enrico Bernardi anticipò
Daimler e Benz creando un motore a scoppio alimentato a
benzina, la “Motrice Pia”, sul quale venne utilizzato per la
prima volta un carburatore.
Enrico Bernardi
Negli anni compresi tra il 1885 ed il 1890 i tedeschi Daimler e
Benz, in maniera indipendente tra di loro, apportano diverse
migliorie ai motori esistenti fino a renderli leggeri e potenti a
tal punto da poter essere montati su una automobile, la cui
invenzione viene accreditata contemporaneamente ai due
studiosi nel 1885.
Nel 1893 il tedesco Rudolf Diesel realizza il primo motore ad
accensione spontanea, nel quale l’accensione della miscela non
è determinata da una scintilla bensì da una maggior
compressione, che verrà migliorato nel 1927 tramite la pompa
meccanica di Bosh.
Rudolf Diesel
40
Nel 1900 Maybach realizza il primo motore a quattro
cilindri in linea che verrà montato sulla prima
Mercedes.
Nel 1957 Felix Wankel ideò il primo motore a
combustione interna di tipo rotativo che porta il suo
nome.
Willhelm Maybach
Felix Wankel col primo motore rotativo
Anche se oggi il motore a combustione interna è
completamente diverso, in termini di aspetto,
materiali e prestazioni, dalle versioni presenti alla
fine dell'800, i principi del suo funzionamento sono
rimasti immutati e non vi sono state innovazioni
paragonabili a quelle introdotte nella seconda metà
del XIX secolo.
41
Il contesto storico: la seconda rivoluzione industriale
Proprio il motore a scoppio, unito alla diffusione
dell’energia elettrica, fu una delle principali
caratteristiche del periodo di profonda
trasformazione economica che venne chiamato
“Seconda rivoluzione industriale”,che ebbe inizio
con un’improvvisa crisi di sovrapproduzione,
scoppiata nel 1873, che durò per circa un
ventennio.
Questo provocò un notevole rallentamento dello
sviluppo ed una prolungata caduta dei prezzi,
prodotto delle trasformazioni organizzative e
delle innovazioni tecnologiche che permisero di
ridurre i costi di produzione.
Molti furono i fattori, tra cui il crollo dei prezzi e la
crisi della libera concorrenza, che portarono allo
sviluppo di grandi concentrazioni finanziarie e
strette compenetrazioni tra banche e imprese.
Si sviluppava contemporaneamente nei vari stati,
una politica protezionistica di appoggio all’economia
nazionale e una maggiore aggressività sul piano
dell’economia estera,che fu la base delle politiche di
espansione coloniale delle maggiori potenze.
42
La conseguenza più grave della caduta dei prezzi fu
certamente lo svilupparsi di una grave crisi agraria
che interessò l’europa negli ultimi decenni
dell’ottocento, ma non colpì i paesi più sviluppati, nei
quali i progressi portarono ad una vera e propria
rivoluzione agricola.
La concorrenza spietata dei prodotti agricoli
statunitensi, sempre più a buon mercato, produsse
gravi conseguenze come l’inasprimento della
conflittualità sociale e la forte emigrazione
transoceanica.
Il calo dell’agricoltura in rapporto alle attività
economiche fu comune a tutti i paesi industrializzati.
Caratteristica saliente di questo periodo fu la stretta correlazione tra
scienza, tecnologia e produzione, e il rinnovamento tecnologico si
concentrò principalmente sulle industrie giovani: chimica, elettrica e
dell’acciaio, aprendo nuove prospettive un po’ in tutti i settori
produttivi.
Come abbiamo già detto, la produzione di energia elettrica (soprattutto
con l’illuminazione) e l’invenzione del motore a scoppio rivoluzionarono
la vita quotidiana, insieme alla trasformazione scientifica e ai progressi
della medicina e dell’igiene.
Questi ultimi due aspetti, uniti al notevole sviluppo dell’industria
alimentare, determinarono in Europa un calo della mortalità, che fu la
causa di un sensibile aumento della popolazione, nonostante la
diffusione dei metodi contraccettivi.
43
Mappa
Henry Ford
Henry Ford, born in 1863, grew up on a prosperous family farm in
Michigan. Henry enjoyed a childhood typical of the rural nineteenth
century, spending days in a one-room school and doing farm chores.
At an early age, he showed an interest in mechanical things and a
dislike for farm work.
In 1879 Ford moved to the nearby city of Detroit to work as an
apprentice machinist, although he did occasionally return to help on
the farm. He remained an apprentice for three years and then
returned to Dearborn. Henry spent the next few years, operating and
repairing steam engines and taking care of his father's farm
implements.
In 1891, Ford became an engineer with the Edison Illuminating
Company in Detroit. This event signified a conscious decision to
dedicate his life to industrial pursuits.
Henry Ford
His promotion to Chief Engineer in 1893 gave him enough time
and money to devote attention to his personal experiments on
internal combustion engines.
The Quadricycle
These experiments culminated with the creation of his own selfpropelled vehicle, the Quadricycle. The Quadricycle had four wire
wheels and had only two forward speeds with no reverse.
Although Ford was not the first to build a self-propelled vehicle
with a gasoline engine, but surely he was one of the most
important automotive pioneers.
44
Industrial success
After two unsuccessful attempts to establish a
company to manufacture automobiles, the Ford
Motor Company was incorporated in 1903 with
Henry Ford as vice-president and chief engineer.
The company produced only a few cars a day at
the Ford factory in Detroit, where groups of two
or three men worked on each car.
Ford realized his dream of producing an
automobile that was reasonably priced and
reliable with the introduction of the Model T in
1908.
This vehicle started a new era in personal
transportation. It was so easy to handle and
maintain that immediately become a huge
success.
In 1918, half of all cars in America were Model
T. To meet the growing demand for the Model T,
the company opened a larger factory in
Michigan. Here Henry Ford standardized the
famous continuous assembly line. Workers
remained in place, adding one component to
each automobile as it moved past them on the
line.
The twenty millionth Model T Ford
45
The introduction of the moving assembly line revolutionized automobile production by significantly
reducing assembly time and lowering costs. Ford's production of Model T made his company the
largest automobile manufacturer in the world.
The company constructed one the world's largest industrial complex along the banks of the Rouge
River in Michigan, between 1910s and 1920s. By September 1927, all steps in the manufacturing
process took place at the vast Rouge Plant, characterizing Henry Ford's idea of mass production.
Under Fordism, mass consumption combined with mass production to produce sustained economic
growth and widespread industrial advancement.
The Rouge Plant, Michigan
46
Mappa
Bibliografia
Storia del motore a scoppio e seconda rivoluzione industriale:
www.torvergata-karting.it
“Storia dal 1650 al 1900” – Editori Laterza
Henry Ford:
www.hfmgv.org
www.time.com
Termodinamica e funzionamento motore a scoppio:
“Le idee della fisica – volume secondo” – Zanichelli
www.alfonsomartone.itb.it/vglavh.html
Benzine e derivati del petrolio:
“Chimica applicata: la chimica del carbonio e la chimica nell’industria” – Zanichelli
it.wilkipedia.org
It.encarta.msn.com
47
Mappa
