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motóre (tecnica)

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Descrizione generale

"Per la classificazione dei motori in base all'energia e all'alimentazione vedi schema al lemma del 13° volume." Concettualmente vengono indicate quali motori primi tutte quelle macchine che trasformano in lavoro meccanico un'energia che non ha mai subito precedentemente nessuna elaborazione in altri motori; sono pertanto motori primi i motori a combustione, le ruote e le turbine idrauliche, gli aeromotori; non lo sono i motori idraulici volumetrici, quelli elettrici, quelli pneumatici. Ciò porta a diverse classificazioni dei motori, la più semplice delle quali si basa sul tipo di energia utilizzata; altra molto usata è quella basata sullo stato fisico dell'elemento che fornisce l'energia da elaborare, per cui si possono distinguere motori a fluido (aria, vapore, gas di combustione, liquido, plasma ecc.) e motori a solido (molla, volano, peso); a sé stanno i motori elettrici. Sussistono inoltre categorie ed espressioni tradizionali che, al di là di ogni classificazione, indicano con sufficiente precisione un certo gruppo di motori, escludendo semplicemente tutti gli altri, per esempio motori a vapore, motori marini ecc. In ogni motore, il lavoro meccanico viene fornito essenzialmente sotto due forme: a un albero rotante, come momento torcente, o a un ugello, come spinta unidirezionale; tale lavoro viene, il più delle volte, utilizzato da macchine, comprendendo in queste anche i veicoli. I più usati sono i motori termici e quelli elettrici, oltre alle turbine idrauliche; questo perché il progresso della meccanizzazione, con la tendenza alla specializzazione sempre più spinta, ha reso talmente interdipendenti motore e macchina a esso connessa che risulta molto difficile introdurre motori concettualmente diversi da quelli utilizzati (fanno eccezione i propulsori per i veicoli spaziali). La ricerca e la sperimentazione dei motori tradizionali sono tese, pertanto, essenzialmente verso continui miglioramenti tecnici in prestazioni, affidabilità, adattabilità alle particolari condizioni di esercizio, e contemporaneamente, alla riduzione di consumi, ingombri, inquinamento e rumore. Di vere e proprie innovazioni si potrà parlare quando gli studi su nuove fonti di energia renderanno possibile la realizzazione di nuovi tipi di motori che, per altro, sono già allo studio a livello teorico (come i motori a plasma) o in fase di sperimentazione (come i motori a idrogeno).

Motori termici

Sono motori che trasformano in lavoro meccanico l'energia di un fluido, gas o vapore, dal quale vengono alimentati. Fondamentalmente il fluido cede la sua energia esercitando una pressione sulle pareti mobili del motore, per semplice espansione o per azione cinetica. Ciò vale anche nel caso dei motori a getto nei quali la spinta si esercita allo scarico del motore che trasla essendo mobile esso stesso. La pressione o l'energia cinetica del fluido ha due origini: nella maggior parte dei casi si produce a seguito di una combustione che può avvenire all'interno o all'esterno del motore, da cui i termini motore a combustione interna e motore a combustione esterna. Oppure il fluido, già in pressione, arriva nel motore attraverso una linea e cede alle superfici mobili dello stesso l'energia accumulata: il fluido può essere aria, come nei motori ad aria compressa che hanno una diffusione assai più limitata dei primi, oppure olio minerale, come negli oleomotori. I motori termici possono inoltre essere suddivisi in motori a flusso continuo, nei quali il fluido viene immesso mediante idonei spruzzatori o iniettori (per esempio turbopropulsori e razzi), e in motori a flusso intermittente, nei quali il fluido, proveniente da idonei organi supplementari (per esempio carburatore), viene immesso attraverso luci o valvole aperte a tempo nell'organo utilizzatore (per esempio cilindro dei motori a ciclo Otto e Diesel). "Per il ciclo di lavoro ideale dei motori Otto, Diesel e Sabhatè vedi diagrammi al lemma del 13° volume." "I diagrammi del ciclo di lavoro ideale dei motori Otto (A), Diesel (B) e Sabhatè (C) sono a pag. 227 del 15° volume."

Motori termici a combustione interna a flusso intermittente

Sono motori termici in cui il fluido di alimentazione agisce sulla parete mobile di una camera a volume variabile nella quale viene alternativamente immesso, elaborato, trasformato. Meccanicamente, detta camera a volume variabile si realizza con una coppia cilindro-stantuffo in moto alternativo rettilineo (motori alternativi), ma possono essere utilizzate altre soluzioni, quali rotori a capsulismi (motori rotativi tipo Wankel). I motori alternativi sono quelli di gran lunga più usati nel campo dell'autotrazione. Il ciclo di funzionamento può svolgersi in due o quattro tempi. Nel secondo caso per l'immissione e l'espulsione finale del fluido vengono sfruttate variazioni di volume esclusivamente della camera di scoppio, nel primo si utilizzano anche le variazioni di volume che lo stantuffo produce nella camera sottostante (carter). Dal punto di vista termodinamico possono essere seguiti due cicli base: il ciclo Otto e il ciclo Diesel. In pratica, tuttavia, il ciclo reale del fluido in un motore si discosta alquanto da quelli teorici che presuppongono l'uno (il ciclo Otto) una combustione che dal punto di innesco si propaghi a tutta la miscela, l'altro (il ciclo Diesel) che la combustione avvenga contemporaneamente per tutte le goccioline di carburante che vengono a contatto con l'aria fortemente riscaldata. Materialmente si cerca di ottenere queste condizioni, nel primo caso innescando la combustione con una scintilla, nel secondo iniettando il carburante finemente suddiviso nel cilindro quando l'aria, causa una precedente compressione, ha superato la temperatura di combustione spontanea con il carburante stesso. Perciò i due motori si distinguono per avere l'uno l'accensione comandata (a scintilla), l'altro spontanea (o per compressione). Questa è anche l'unica differenza che rimane valida in ogni caso in quanto si hanno esempi di motori a ciclo Otto che sono meccanicamente più simili ai Diesel (in essi si ha un'iniezione nel cilindro poco prima dello scoccare della scintilla), oppure motori Diesel nei quali la combustione avviene con tanto ritardo rispetto all'iniezione da procedere con il carattere di propagazione di fiamma tipico dei motori Otto. Questi ultimi si chiamano anche, meno propriamente ma più diffusamente, motori a scoppio. Una classificazione dei motori in uso può essere fatta anche in base allo stato fisico dei carburanti impiegati. Carburante solido: non in uso, sebbene R. Diesel avesse ideato il suo motore proprio per la polvere di carbone. Carburante liquido: si distinguono oli pesanti (nafte, gasoli) per motori Diesel e oli leggeri o essenze (benzine ecc.) per motori a scoppio. La differenza fra questi carburanti non è dovuta essenzialmente al peso specifico ma alla volatilità che non sempre è loro proporzionale. Carburanti gassosi: sono usati un gas povero preparato in appositi gassogeni, il gas di recupero di certe operazioni metallurgiche, il gas naturale (metano e gas di petrolio liquefatto); vengono impiegati nei motori a scoppio spesso alternabili con la benzina a scelta dell'utente. Si parla abitualmente di “ciclo” del fluido nel motore a combustione interna, quantunque, a rigore, il fluido che non torna nelle condizioni iniziali non compia un ciclo termodinamico propriamente detto ma piuttosto una trasformazione termodinamica aperta. Con tale premessa possono tracciarsi i cicli di lavoro tipici nel piano p-V (dove p è la pressione esercitata sullo stantuffo e V è il volume della camera di scoppio). L'area di questi cicli è proporzionale al lavoro effettuato. Va ricordato che tra due sorgenti di calore a temperature T e T>T il ciclo termodinamico a maggiore rendimento è quello di Carnot, composto da due isoterme collegate con due adiabatiche: nel caso di un motore a combustione interna si dispone, praticamente, della sola sorgente a bassa temperatura, per cui si deve sopperire alla mancanza di quella ad alta temperatura con la combustione. I cicli dei motori a combustione interna conservano quindi del ciclo di Carnot le due adiabatiche e l'isoterma a bassa temperatura e sostituiscono quella ad alta temperatura con la trasformazione più conveniente che, a parità di pressione finale di compressione, è rappresentata da una combustione a volume costante (ciclo Otto), mentre, a parità di pressione massima di combustione, è rappresentata da una combustione a pressione costante (ciclo Diesel). I due cicli precedenti possono essere visti come casi particolari del ciclo Sabathè in cui la combustione è mista, avvenendo dapprima a volume costante e poi a pressione costante: a questo ciclo si avvicinano di più i moderni motori Diesel veloci. Per ragioni pratiche, infine, anche l'isoterma inferiore del ciclo di Carnot viene rimossa, in quanto il ciclo deve essere arrestato almeno al punto dell'adiabatica, cui corrisponde il volume di inizio ciclo. Si hanno così i cicli di lavoro nei quali il tratto 1-2 rappresenta la compressione; il 2-3 (2-2´-3 nel Sabathè) la combustione; il 3-4 l'espansione; il 4-1 lo scarico. Terminato lo scarico, il cilindro è pieno di gas combusti, che possono essere espulsi con diversi sistemi nei motori a due o a quattro tempi. L'architettura generale del motore alternativo non dipende dal suo ciclo di lavoro, ma dall'impiego del motore stesso: parametro determinante è il “peso per unità di potenza” in base al quale ciascun tipo di motore trova la sua collocazione. Per ottenere motori sempre più leggeri da questo punto di vista, non vi è altro mezzo che aumentare la velocità di rotazione dell'albero motore. Tuttavia, limitazioni costruttive impongono di non superare certe velocità dello stantuffo e si deve ricorrere a un frazionamento della cilindrata, con penalizzazione del peso. I motori leggeri trovano quindi un limite di potenza nel numero dei cilindri (4-8 fino a 12 per motori da corsa) e sono più esposti a usura, ma sono insostituibili per la trazione terrestre, di piccoli natanti e aerei. Nelle centrali fisse e nelle navi, dove il peso ha minore importanza, mentre si richiedono elevate potenze e lunghe durate, si impiegano i grandi motori Diesel a due tempi lenti con cilindri (fino a un massimo di 12) anche di 1 m di diametro.

Motori termici a 4 tempi ad accensione comandata, funzionamento

"Per il ciclo di funzionamento di un motore a 2 tempi ad accensione comandata vedi schemi al lemma del 13° volume" Questi motori utilizzano cicli reali derivati da quello Otto; la loro caratteristica più favorevole è la facilità di regolazione anche con piccole cilindrate, ciò che consente brevi corse dello stantuffo e pesi ridotti. "I disegni schematici relativi al ciclo di funzionamento di un motore a 4 tempi ad accensione comandata sono a pag. 227 del 15° volume." Le fasi di funzionamento di questo motore sono illustrate sia nel diagramma cartesianop-V, sia nel diagramma di distribuzione o di fase, sia nei disegni relativi alla posizione degli organi meccanici . Nella fase A↔1 (aspirazione), quando lo stantuffo scende nel cilindro, richiamato, tramite la biella, dall'albero motore, si determina una variazione di volume che viene sfruttata per l'aspirazione della miscela attraverso la valvola di aspirazione. Come si può notare dal diagramma di distribuzione, la valvola di aspirazione si mantiene aperta ancora per un notevole tratto (quasi 1/8 di giro dell'albero motore) per consentire alla miscela di affluire nel cilindro per inerzia. Nella fase 1↔2 (compressione) lo stantuffo risale verso il punto morto superiore (P.M.S.) comprimendo la miscela: prima di averlo raggiunto scocca la scintilla (anticipo di accensione); tale anticipo è reso automatico e varia in angolo di manovella al variare della velocità angolare in maniera che si mantenga grosso modo inalterato nel tempo. Nella fase 2↔3 (combustione) la scintilla incendia la miscela che si trova in prossimità degli elettrodi; di qui la fiamma si propaga a tutta la carica. Nel frattempo l'albero motore compie un arco comprendente il P.M.S. che può anche essere rilevante. Il tempo di propagazione della fiamma non varia molto e mediante l'anticipo si cerca di fare in modo che il combustibile venga bruciato al massimo valore medio del rapporto di compressione. Nella fase 3↔4 (espansione) i gas, espandendosi, spingono lo stantuffo in basso, questi ne raccoglie l'energia di espansione e la cede ormai motrice all'albero. Nella fase 4↔5 (scarico), con anticipo rispetto al P.M.I., si apre la valvola di scarico e i gas combusti fuoriescono continuando a espandersi nel collettore di scarico. Questa espansione residua non viene sfruttata in quanto la sua conversione in lavoro richiederebbe tempi troppo lunghi e incompatibili con il funzionamento del motore. Nella fase 5↔A (espulsione) lo stantuffo risale verso l'alto per portarsi in posizione utile all'aspirazione, contemporaneamente libera il cilindro dai gas residui. Prima di giungere al P.M.S. si apre la valvola di aspirazione e si verifica la cosiddetta fase di incrocio durante la quale entrambe le valvole sono aperte. Tale fase è estremamente delicata sia per la potenza del motore sia per il grado di inquinamento. I gas caldi che stanno sfuggendo per inerzia richiamano miscela fresca che in parte può sfuggire dalla valvola di scarico e aumentare i residui incombusti; tuttavia, se la fase di aspirazione non venisse iniziata con sufficiente anticipo, ne soffrirebbe il riempimento del cilindro, con riduzione di potenza. La potenza ricavabile dal ciclo reale è inferiore a quella corrispondente al ciclo teorico. Le principali cause di perdita sono l'attrito delle coppie cinematiche, il lavoro speso a muovere organi interni al motore (distribuzione, lubrificazione) o esterni (alternatore, ventilatore ecc.), l'imperfetta combustione, la cessione di calore alle pareti, lo strozzamento durante i ricambi del fluido. Occorre inoltre tener conto della variazione del calore specifico e del peso molecolare durante la combustione del fluido non ideale: le fasi di compressione e di espansione non sono più adiabatiche, ma politropiche con variazione di esponente durante il ciclo.

Motori termici a 4 tempi ad accensione comandata

La struttura fondamentale del motore a quattro tempi ciclo Otto è il monocilindro costituito da una testa con i condotti di aspirazione e scarico, un cilindro al cui interno scorre lo stantuffo e un carter-coppa che chiude l'involucro. Lo stantuffo, tramite un cinematismo biella-manovella, comunica e riceve il moto dall'albero motore. Più cellule singole possono venire accoppiate secondo varie disposizioni: "Per alcuni schemi di disposizione dei cilindri vedi il lemma del 13° volume." naturalmente questo implica allungamento dell'albero motore per annoverare un numero di manovelle e supporti compatibile con i cilindri e idonei accoppiamenti delle bielle tra di loro e con l'albero. Costruttivamente i motori pluricilindro sono del tipo monoblocco (a eccezione di quelli raffreddati ad aria che hanno i cilindri separati) a canne (camicie) integrali e a canne riportate: nel primo tipo i cilindri sono ottenuti con un'unica fusione in ghisa o in lega leggera insieme con il basamento, nel quale sono ricavate le intercapedini per il passaggio dell'acqua di raffreddamento e dell'olio, fori per supporto, per punterie e altri condotti; nel secondo le canne vengono piantate a caldo nel basamento con anelli di tenuta (O-ring). Il primo tipo presenta il vantaggio di dilatazioni uniformi tra canne e basamento, con riduzione e, a volte, eliminazione completa di problemi di tenuta; tuttavia qualunque anomalia intervenuta in fase di costruzione o di esercizio comporta la sostituzione completa di tutto il pezzo. Il secondo presenta notevole semplicità costruttiva, possibilità di utilizzare materiali diversi per canne (ghisa) e basamento (lega leggera), intercambiabilità di pezzi sia durante l'esercizio sia in costruzione, con facile introduzione di successivi perfezionamenti. Di contro diventano più complessi i problemi di tenuta tra basamento e testa causa la differente dilatazione dei materiali impiegati (lega e ghisa). L'alimentazione dei motori avviene tradizionalmente tramite uno o più carburatori a semplice o doppio corpo, ma è sempre più diffusa quella a iniezione, che consente l'uso di sistemi elettronici, con i vantaggi che da ciò derivano soprattutto in materia d'inquinamento e di ottimizzazione dei consumi. L'accensione a spinterogeno, che aveva soppiantato quella a magnete, viene gradualmente sostituita dall'accensione elettronica. Le candele sono, normalmente, una per cilindro, ma sempre più spesso se ne utilizzano due: o per ragioni di sicurezza (come nei motori d'aereo, dove possono far capo a uno stesso circuito o a due circuiti separati) o per migliorare l'accensione, nei motori automobilistici veloci. La lubrificazione è del tipo forzato: una pompa a ingranaggi aspira l'olio dalla coppa e lo invia in pressione a lubrificare albero motore, cuscinetti di banco, biella, pattino dello stantuffo ecc.; l'olio rigocciola poi nella coppa lubrificando altri organi interni (albero a camme, bicchierini ecc.); l'olio bagna anche le canne dei cilindri, ma ne viene raschiato, per evitare il contatto con la fiamma, dal segmento raschiaolio dello stantuffo. Per ridurre gli ingombri o per l'architettura del motore l'olio, invece di raccogliersi nella coppa, può essere inviato in un serbatoio separato (motore a carter secco). Il raffreddamento può essere ad acqua o ad aria: nel primo caso, nelle intercapedini anulari tra basamento e canne (riportate o integrali) viene fatta circolare acqua tramite una pompa centrifuga; quando la temperatura raggiunge un certo valore si apre una valvola termostatica e la circolazione interessa anche il radiatore dove vi è acqua relativamente fresca; un ventilatore collegato all'albero motore o elettrico (elettroventola) raffredda il radiatore. Nel secondo caso, cilindri e testa sono profondamente alettati e la circolazione dell'aria avviene per moto naturale dell'aria rispetto ai cilindri, o grazie a una ventola. Il lavoro meccanico è trasmesso attraverso il volano che l'albero motore reca all'estremo posteriore; quello anteriore monta ruote dentate e pulegge interne o esterne al basamento per l'azionamento dei dispositivi ausiliari: distribuzione, generatore, ventola ecc.

Motore termico a 2 tempi ad accensione comandata

Per il ciclo di funzionamento di un motore a 2 tempi ad accensione comandata vedi schemi al lemma del 13° volume. La caratteristica più importante di questi motori è la semplicità costruttiva; infatti, rispetto ai motori a 4 tempi, essi non hanno distribuzione né pompa e carter per l'olio e quindi risultano più piccoli, compatti e con un minor numero di organi meccanici. Le fasi di funzionamento possono seguirsi nei diagrammi p-V di distribuzione e di funzionamento soliti "I disegni schematici relativi al ciclo di lavoro di un motore a 2 tempi ad accensione comandata sono a pag. 228 del 15° volume." : qui la descrizione viene fatta per i motori a due luci e con carter che funziona da pompa. La fase 1↔2 (compressione) non inizia al P.M.I. ma quando lo stantuffo ha coperto le luci di aspirazione e scarico. La risalita dello stantuffo, per tutto il tratto in cui questo copre le luci, produce nel carter un abbassamento di pressione. In prossimità del P.M.S. lo stantuffo scopre la luce di aspirazione e nel carter affluisce la miscela. La fase 2↔3 (combustione) è analoga a quella del motore a quattro tempi. Nella fase 3↔4 (espansione), durante la discesa lo stantuffo copre la luce di aspirazione e tuffandosi nel carter ne aumenta la pressione. Nella fase 4↔5 (scarico), per un certo tratto della corsa è scoperta la sola luce di scarico per consentire ai gas di espandersi fino a una pressione inferiore a quella che nel carter raggiunge la miscela. Nella fase 5↔P.M.I. vengono scoperte le luci di travaso, cioè quelle dei condotti collegati al carter e si ha quindi la fase di lavaggio con ingresso della miscela fresca nel cilindro ed espulsione da parte di questa dei residui gas di scarico. Nella fase P.M.I.↔1 il pistone risale verso l'alto coprendo successivamente le luci di travaso e di scarico. Nel ciclo compiuto dallo stantuffo nel carter, cioè come pompa, solo i punti 1 e 5 coincidono con quelli del ciclo motore, il 2´ e 3´ sono simmetrici rispetto al P.M.S., in particolare il 2´ è generalmente in anticipo su 2. Nel sistema proposto, come si vede dal diagramma di distribuzione, il pistone risalendo chiude per prima la luce di travaso: può sfuggire quindi un po' di miscela. Per rendere indipendente dai vincoli geometrici delle luci l'immissione nel carter di miscela fresca sono in uso due sistemi: la luce di immissione manca ed è sostituita da una valvola a lamella nel carter, che si apre e si chiude automaticamente in funzione della pressione che vi si genera; coassiale con l'albero ruota un disco forato o un manicotto distributore. Per ridurre la fuga di miscela il pistone presenta a volte un diaframma deflettore consentendo una più razionale disposizione della luce di travaso. Il lavaggio è sempre una fase critica, si studiano pertanto l'inclinazione delle luci di travaso e il deflettore del pistone per realizzare una completa uscita dei gas senza spreco di carburante. I motori a 2 tempi più diffusi hanno un solo cilindro ma, specie per i sofisticati motori di motocicletta, possono arrivare a 3, con tutte le complicazioni dovute al fatto che i carter devono stare divisi. L'alimentazione è soprattutto a carburatori e nel carburante va diluito un certo quantitativo di olio per la lubrificazione (2-4%), mancando qui un circuito apposito. L'accensione spesso è a volano magnete e il raffreddamento ad aria. In generale l'affidabilità dei motori a 2 tempi è minore di quella dei motori a 4 tempi, sia per l'usura nella zona delle luci sia perché queste si incrostano facilmente con riduzione dell'area di passaggio e di tempo di apertura anche considerevoli, con notevoli variazioni del diagramma di distribuzione; tuttavia offrono il vantaggio che ogni cilindro produce un ciclo utile per ciascun giro dell'albero motore, con tutto ciò che questo comporta in termini di rendimento e di consumi.

Motori termici a 4 tempi ad accensione spontanea, funzionamento

"Per il ciclo di funzionamento di un motore a 4 tempi ad accensione spontanea vedi diagrammi al lemma del 13° volume." La caratteristica più importante di questo tipo di motori "I diagrammi e i disegni schematici relativi al ciclo di lavoro di un motore a 4 tempi ad accensione spontanea sono a pag. 229 del 15° volume." , che utilizza cicli reali derivati da quello Diesel, per cui vengono anche chiamati semplicemente Diesel, è il basso costo di esercizio per il minor prezzo del combustibile (gasolio), per il minor consumo specifico (fino del 20%) e perché i costruttori, per ragioni di concorrenza, ne spingono fortemente l'affidabilità. Ormai abbandonati i motori a 4 tempi lenti, rimangono e si affermano con crescente successo i Diesel veloci, che vengono impiegati su autoveicoli pesanti, locomotori e in campo automobilistico. Seguendo il ciclo di lavoro, si può rilevare la sostanziale analogia con il ciclo Otto . Il diagramma di distribuzione mette in luce la differenza più notevole: lo scoccare della scintilla dei motori Otto è molto più anticipato che non l'iniezione del carburante (25-50º contro 10-30º). La differenza funzionale è evidentemente localizzata nella combustione (fase 2↔3). All'iniezione del carburante nella camera di scoppio, la temperatura è largamente superiore a quella di combinazione spontanea con il carburante (almeno 350 ºC, ma generalmente la temperatura raggiunta è di 650 ºC), ma la combustione non risulta istantanea. In questi motori si distinguono quattro fasi: le goccioline arrivano fredde e iniziano a scaldarsi, evaporare e ossidarsi; si ha una combustione istantanea della porzione di combustibile iniettato che avviene a volume costante, corrisponde alla fase 2↔2´ del ciclo Sabathè ed è tanto più lunga quanto più veloce è il motore; si ha combustione a pressione costante avendo la temperatura della camera di scoppio raggiunto un livello sufficiente; il combustibile brucia appena iniettato e si ha il funzionamento globale; terminata l'iniezione, la combustione procede fino al termine, spesso con i caratteri di propagazione di fiamma tipici dei motori Otto. Il ritardo di accensione dà luogo a forti pressioni e quindi a un funzionamento del motore non gradito; la riduzione di tale tempo costituisce l'obiettivo principale dei costruttori. Allo scopo si può “polverizzare” in maniera opportuna il combustibile, creare notevole turbolenza nella carica, scegliere un rapporto di compressione e un combustibile idonei, indirizzare l'iniezione verso i punti più caldi del cilindro. Numerosi sono stati gli studi e le varietà conseguenti delle camere di scoppio prodotte. Le due classi principali sono le camere di combustione a iniezione diretta e indiretta. Nel primo tipo, nello stantuffo o nella testa o in entrambi, si ricavano cavità atte a comunicare all'aria aspirata la maggior turbolenza possibile, con produzione di vortici ad anello e a spirale, inoltre, spesso, per la stessa funzione, anche la valvola di aspirazione presenta un deflettore e il condotto di aspirazione un'opportuna forma. Tale cavità si raccoglie attorno all'iniettore, che invia il combustibile sempre contro il pistone. Se la cavità è ricavata nella testa e comunica con il cilindro attraverso fessure o fori (precamere) possono aversi due casi: nella precamera avvengono l'iniezione e la combustione o la sola compressione dell'aria che poi, scendendo lo stantuffo, fuoriesce con una certa turbolenza dai forellini di comunicazione e incontra il getto di iniezione producendo la combustione. L'iniezione diretta comporta un miglior rendimento termico, un iniettore a più fori (quindi più delicato) e un carburante più facilmente incendiabile (elevato numero di cetano). L'iniezione indiretta in camere separate peggiora il rendimento termico per maggiore dispersione di calore, ma consente l'uso di iniettori a foro unico, carburanti meno pregiati e funzionamenti meno “ruvidi”. Il rendimento globale nel Diesel è migliore che nel motore a scoppio, sia perché la combustione del carburante è completa, sia perché, a parità di temperatura finale di combustione, l'area del ciclo è maggiore.

Motori termici a 4 tempi ad accensione spontanea, struttura

L'architettura generale del motore Diesel somiglia molto a quella del motore Otto; le differenze riguardano soprattutto il dimensionamento degli organi che danno un complesso più robusto e più pesante essendo per lo più realizzati in ghisa. Il numero dei cilindri varia da 4 a 6 e 8 (in declino). Notevole l'esempio a 5 cilindri in linea e a V che è stato adottato dalle automobili Mercedes Benz. Grande successo ha avuto la disposizione a sogliola per motore da camion e pullman. Il raffreddamento è ad acqua, ma anche ad aria, soprattutto per i motori impiegati in installazioni fisse o semifisse. La distribuzione è a valvole in testa, con albero (o alberi) a camme nel basamento. Gli apparati di iniezione sono generalmente meccanici a bassa o alta pressione. L'impiego di tale motore va dall'autotrazione a veicoli ferroviari, a propulsori marini (Diesel lenti reversibili), a gruppi elettrogeni e applicazioni fisse, mentre, pur presentando alcuni vantaggi relativi al costo, il motore non è applicato, causa il suo peso, in aeronautica.

Motori termici a 2 tempi ad accensione spontanea

"Per il ciclo di funzionamento di un motore a 2 tempi ad accensione spontanea vedi diagramma e schemi al lemma del 13° volume." In essi si trovano i pregi e i difetti dei motori Diesel e dei motori a 2 tempi. Si sommano i vantaggi di costo di esercizio e di miglior utilizzazione della macchina, ma le difficoltà di regolazione e di distribuzione sono notevoli per cui esistono parecchie soluzioni pratiche. Si consideri un grande motore a 2 tempi con pompa di alimentazione. Nel diagramma p-V "Il diagramma e i disegni schematici relativi al ciclo di lavoro di un motore a 2 tempi ad accensione spontanea sono a pag. 229 del 15° volume." la fase 1↔2 corrisponde alla compressione; la fase 2↔3 corrisponde all'iniezione (nei motori lenti è tale il ritardo all'accensione che non si ha combustione a volume costante). Quella 3↔4 è la fase di espansione; a 3´ si apre la luce di carica, i gas di scarico tuttavia non sfuggono dalla pompa grazie a valvole di interdizione. Nella fase 4↔5 si hanno lo scarico e la scoperta della luce di alimentazione (anche in questo caso se la luce di aspirazione viene scoperta quando vi è ancora pressione nel cilindro, è evitato il riflusso dei gas nella pompa con valvole). Nella fase 4↔P.M.I. tutte le luci sono aperte e in 5 inizia anche il lavaggio non appena la pressione nel cilindro scende a valori inferiori a quelli della pompa. Nella fase P.M.I.↔1´ prosegue la fase di lavaggio; nella fase 1´↔1 si ha, essendo la luce di scarico ormai chiusa, la fase di carica cioè introduzione di aria per una leggera sovralimentazione. Le luci di lavaggio e carica sono collegate in genere con un compressore ad alta portata e bassa pressione (0,1-0,15 kg/cm²). Volendo una sovralimentazione più spinta, la luce di carica viene alimentata da un turbocompressore a gas di scarico e si ottengono aumenti di potenza del 25-50%. Mediante valvole sulle luci di alimentazione e di carica si riesce a “fasare” l'introduzione dell'aria, meglio che non nel 2 tempi a scoppio; spesso, allo stesso scopo, sono usate valvole comandate per lo scarico. Ancor più studiato è il flusso delle correnti di lavaggio e vengono seguiti due procedimenti base: lavaggio a correnti ripiegate o unidirezionali. Un confronto tra i motori Diesel a 4 e a 2 tempi rivela per quest'ultimo una superiorità di fondo che solo per ragioni strutturali (iniezione in tempi molto brevi, maggiore cimento termico ecc.) non lo fanno preferire anche nel campo dei motori veloci. Di contro il grande motore Diesel lento per propulsione navale o per centrali elettriche è sempre a 2 tempi. La disposizione più moderna è a cilindri in linea, ma grande successo hanno avuto anche le disposizioni a 2 cilindri contrapposti con due alberi o con un albero solo (persino 4 cilindri contrapposti con un solo albero) o a 2 cilindri orizzontali uniti con bilancieri e bielle a un solo albero. Lo stantuffo spesso (sempre nei grandi motori) è collegato alle bielle con una testa a croce e queste a loro volta all'albero, sorretto da una bancata che sostiene anche i corpi dei cilindri con le teste, mediante montanti. Lo stantuffo è spesso refrigerato ad acqua o a olio, attraverso canalizzazioni dello stelo, mentre la refrigerazione generale è ad acqua. Importanti e originali sono le valvole di interdizione, che possono essere valvole governate da un eccentrico, o automatiche a lamelle, che funzionano per differenze di pressione (Diesel lenti). Infine, allo stesso scopo, si può introdurre un otturatore, spesso rotante, allo scarico. Le pompe di lavaggio che operano per basse pressioni (0,2-0,5 kg/cm²) ma alte portate (fino al 50% in più della cilindrata) sono: centrifughe, mosse da motori elettrici, o a capsulismo di Roots o con alette eccentriche (per piccoli motori); a stantuffi a semplice o doppio effetto (per grandi motori); coassiali con lo stantuffo motore (il che comporta un cilindro a scalini) o separate, ma mosse da bilancieri collegati alla testa a croce o, se non c'è, con quadrilateri articolati collegati alle bielle, oltre ai già citati turbocompressori per la sovralimentazione.

Altri motori termici a combustione interna

I motori a doppio carburante sono motori adatti all'uso di metano e propano. Il motore più diffuso aspira una miscela di aria e di gas che viene compressa: con un certo anticipo rispetto al P.M.S. viene iniettata una piccola parte di gasolio, che funziona da innesco di accensione. In un secondo tipo, gas e gasolio vengono iniettati insieme nel cilindro. La combustione del gas avviene per propagazione di fiamma e ha quindi i caratteri del ciclo Otto. Tipi particolari sono i motori policarburanti, caratterizzati dalla possibilità di bruciare carburanti diversi, dalla benzina alla nafta, al cherosene dei motori a getto degli aerei; sono usati soprattutto per veicoli militari. I motori a bassa compressione, detti anche motori ibridi, presentano sia l'iniezione del carburante sia l'accensione dello stesso con candela. Nonostante la possibilità di uso di vari combustibili e di minor consumo degli stessi, oltre a un funzionamento regolare e dolce, sono stati abbandonati dopo un discreto successo in agricoltura, per la complicazione di avere un delicato impianto sia di accensione sia di iniezione. I motori a testa calda presentano nella testa una calotta sferica (bulbo) non raffreddata. In essi si mantiene, anche grazie a refrattari, una temperatura elevatissima, per assicurare una combustione istantanea all'atto dell'iniezione del carburante. Di questi motori, che hanno un rapporto di compressione fra 4 e 8, si ricerca sempre la maggior semplicità costruttiva e quindi diffuso è il 2 tempi, ma l'estrema semplificazione è accompagnata da scarso lavaggio nel bulbo, difficoltà di funzionamento a bassi carichi e di avviamento che ne limitano l'impiego. Sostituendo il bulbo si possono impiegare diversi combustibili. I motori semidiesel o a testa calda ad alta compressione sono analoghi ai precedenti ma in essi il rapporto di compressione arriva a 12, tuttavia è ancora insufficiente ad assicurare la combustione per compressione; pertanto la testa presenta una cavità tronco-conica, non raffreddata, con l'iniettore al centro, che funziona come la calotta sferica del tipo precedente. I motori rotativi, in cui il rotore è animato da moto rotatorio, sono detti anche “a lobi rotanti”. Quelli più diffusi e sperimentati sono i motori Wankel.

Motori termici a combustione interna a flusso continuo

Sono motori termici nei quali i fluidi di alimentazione vengono immessi in modo continuo. Sempre con continuità i fluidi vengono progressivamente portati nelle condizioni più idonee alla combustione: l'aria viene compressa con un compressore centrifugo o assiale, il carburante è nebulizzato con appositi spruzzatori; si combinano poi sviluppando energia termica, che si converte in lavoro meccanico per azione cinetica sulle palette di una turbina (nei motori rotativi) o su un ugello di scarico (nei motori stativi). Questi motori sono a combustione interna in quanto sono sempre attraversati dai prodotti della combustione: tra i motori rotativi, in alcuni non si sfrutta la pressione residua dei fluidi allo scarico, come nelle turbine a gas per impianti fissi, per trazione automobilistica, ferroviaria e navale. In altri tale spinta è quella che viene sfruttata, anzi, a volte, si limita la cessione di energia alla turbina all'entità necessaria al solo azionamento del compressore; questi motori sono i turbomotori per aerei. Tipici motori stativi sono i motori a razzo, gli autoreattori, i pulsogetti; i primi sono impiegati per aerei come motori ausiliari in decollo, per veicoli spaziali, per missili; i secondi come propulsori per velivoli ultrasonici; gli ultimi per aeromodellismo.

Motori termici a combustione esterna

Si tratta di motori nei quali il passaggio del calore da latente ad attuale del combustibile e il conseguente scambio di calore con il fluido motore avvengono all'esterno della camera di espansione. Il fluido motore non si mescola pertanto a quello di combustione e quindi potrebbe in teoria rimanere sempre lo stesso. Il ciclo termodinamico avviene tra una sorgente calda fornita dalla combustione, che essendo esterna può essere continua e completa e una sorgente fredda che è costituita dall'ambiente. I motori a combustione esterna a flusso continuo sono quelli nei quali combustibile e comburente vengono fatti affluire alla camera di combustione con continuità. Il calore sviluppato nell'ossidazione del combustibile viene ceduto a un fluido intermedio, generalmente vapore, e questo per azione cinetica contro le palette di una turbina lo converte in lavoro meccanico. I due più importanti esempi di motore a combustione esterna alternativi sono il motore a vapore e il motore ad aria calda o Stirling.

La ricerca sui motori termici

Le più importanti e significative evoluzioni della tecnica sono rivolte a un continuo miglioramento del prodotto per soddisfare le esigenze concorrenziali del mercato e la richiesta, da parte dei consumatori, di autoveicoli affidabili e “accessoriati”, ma anche per la necessità di rispettare le normative di legge internazionali sempre più severe in materia di inquinamento atmosferico e acustico. Per quanto riguarda i motori, le soluzioni tecniche sono rivolte al miglioramento delle prestazioni e alla contemporanea diminuzione dei consumi; all'ottimizzazione ed economicità di produzione; all'aumento di affidabilità e rendimento; alla diminuzione di pesi e ingombri. Per ottenere ciò si interviene sull'architettura tradizionale del motore, in particolare su numero, forma e disposizione dei cilindri, nonché sugli organi e i materiali con cui il motore viene realizzato; già in fase progettuale, i motori vengono concepiti in funzione della loro producibilità automatizzata su catene robotizzate, tenendo conto, contemporaneamente, delle caratteristiche previste per le autovetture sulle quali verranno montati (aerodinamica, peso globale, prestazioni sportive ecc.). Si tende, comunque, a un alto grado di unificazione per valvole, molle, pistoni, teste, bielle, cuscinetti e altri particolari, in modo da poterli utilizzare per differenti motori prodotti nei medesimi impianti. Si mira, anche, a realizzare motori aventi basamento, albero, valvole e altri organi comuni così che, cambiando testa, pistoni e sistemi di alimentazione possano diventare indifferentemente motori a benzina o a gasolio, ad aspirazione naturale o sovralimentati. A parità di tipo di motore, si cerca poi di realizzare motori in linea, che variano la cilindrata con il solo numero di cilindri, partendo da un cilindro base di cilindrata unitaria ottimale; in questa ottica, alcuni costruttori giapponesi, basandosi su un cilindro di 330 cm3 realizzano motori a tre cilindri per avere cilindrate intorno ai 1000 cm3; oppure si utilizza uno stesso blocco motore, variando la cilindrata con le dimensioni del cilindro; e ancora, diminuendo il numero dei supporti di banco (da 5 a 3). Un'altra soluzione è quella di diminuire il numero degli organi, integrando più funzioni e comandi (per esempio, pompa dell'olio calettata sull'albero motore con eliminazione dell'albero ausiliario; sostituzione del comando ad aste e bilancieri delle valvole con quello ad albero con camme in testa; pompa benzina e distributore comandati direttamente dall'albero a camme ecc.) in modo da creare motori più compatti e semplificati. Questi e altri accorgimenti costruttivi permettono di ridurre i tempi di costruzione del motore e di semplificare le operazioni necessarie, consentendo al contempo di utilizzare un unico impianto per tutti i processi di lavorazione e montaggio.

I materiali nei motori termici

Un'altra importante tendenza è quella del perfezionamento dei materiali tradizionali e l'introduzione di nuovi materiali nella costruzione del motore, al fine di aumentarne l'affidabilità e la resistenza e diminuirne gli ingombri e i pesi; vengono, pertanto, adottate sempre più leghe leggere a base di alluminio per sostituire la ghisa nella realizzazione della testata e sovente del basamento, mentre la lamiera stampata, tradizionalmente usata per la coppa dell'olio e i coperchi delle punterie, viene sostituita sempre più spesso da materiali plastici (resine epossidiche), in grado di operare a elevate temperature. Sono allo studio anche motori realizzati interamente in plastica speciale (denominata Torlon), che secondo gli esperti offrirebbe un risparmio fino al 40% in peso rispetto a un corrispondente motore tradizionale, oltre a presentare maggiore resistenza all'usura nonché minori attriti e vibrazioni. Oggetto di sperimentazione pratica sono i materiali ceramici, applicabili in varie parti del motore, in quanto sono leggeri e resistenti a temperature molto elevate, oltre a essere refrattari al calore e con dilatazione termica quasi nulla. Soprattutto le ceramiche a base di nitruri di silicio possono essere utilizzate per realizzare particolari organi, quali le valvole, e per rivestire parti specifiche del motore, come l'interno della camera di scoppio dei cilindri o il cielo dei pistoni, con il vantaggio di abbattere le perdite di calore e di limitare al massimo giochi, lubrificazione, usure, tenute varie e soprattutto il carico sulle fasce elastiche, con conseguenti grosse riduzioni delle perdite per attrito. Sono stati, anche, realizzati speciali tipi di ghisa, che raggiungono ca. l'80% del modulo elastico dell'acciaio e si prestano quindi a sostituirlo per la realizzazione di alberi motore, alberi della distribuzione ecc., con il vantaggio che con un'unica colata possono essere realizzati contemporaneamente più pezzi. Altri tipi di ghisa e altri processi di produzione, alternativi e più vantaggiosi della fusione, sono stati messi a punto (per esempio la sinterizzazione) per fabbricare basamenti, consentendo così di ottenere spessori più ridotti (2,5-3 mm contro i 6-7 mm), che permettono alla ghisa di sostituire le leghe leggere, rispetto alle quali mantengono una più favorevole stabilità termica dimensionale.

Il contenimento dei consumi nei motori termici

Per quanto riguarda l'incremento delle prestazioni e il contenimento dei consumi e degli inquinanti, si punta al miglioramento della termodinamica del motore, al perfezionamento dei vari organi interni e, soprattutto, a un massiccio ricorso all'elettronica. Si punta a migliorare il processo di combustione ottimizzando il rendimento specifico, con l'obiettivo di ottenere bassi consumi e ridotte emissioni senza penalizzare, però, le prestazioni: in questo senso si cerca di aumentare il rapporto di compressione del motore controllando nel contempo il fenomeno della detonazione, che in queste condizioni rappresenta una fonte di complicazioni nei motori a benzina, in modo da ottenere l'incremento della potenza specifica specie ai carichi parziali. Una soluzione consiste nell'intervenire sull'accensione della miscela attraverso la limitazione dell'anticipo, mantenendolo inferiore a quello ottimale corrispondente al limite della detonazione; altra soluzione consiste nello “strozzare” l'aspirazione in modo da ridurre la portata massima dell'aria; si interviene anche sulla geometria del complesso “camera di scoppio-pistone” per ottenere forme particolari della camera di combustione del cielo del pistone, con angoli tra le valvole opportunamente scelti, ed eventualmente con doppia candela di accensione (come nel sistema Twin Spark dell'Alfa Romeo), che consentano un'ottimale propagazione del fronte di fiamma, elevati rapporti di compressione e contemporanea agevole combustione della miscela. Anche il rapporto corsa-alesaggio è soggetto a revisione, cosicché i motori “superquadri”, caratterizzati da alesaggio maggiore della corsa e finora preferiti perché consentono valvole più grandi e regimi più elevati a parità di cilindrata, sono stati affiancati da motori “quadri” (alesaggio uguale corsa) e motori “sottoquadri” (corsa maggiore dell'alesaggio), che permettono di realizzare camere di scoppio più raccolte attorno alla candela e percorsi di fiamma più ridotti, favorendo così combustioni più rapide e complete che garantiscono rendimenti termici più elevati e riducono la tendenza al misfire. Le esperienze compiute sulla cinetica dei gas all'interno della camera di scoppio hanno dimostrato che, riuscendo a imprimere alla miscela energici moti di rimescolamento in fase di compressione e di espansione, è possibile migliorare il processo di combustione, ottenere alti valori di compressione e limitare i consumi di carburante. Buoni risultati si sono ottenuti con i motori a miscela magra o lean burn, in grado di bruciare miscele con rapporto aria-benzina di 17-18 e più, mantenendo invariate le prestazioni; di contro presentano emissioni allo scarico con alti livelli di idrocarburi incombusti, il cui abbattimento richiede una marmitta catalitica; la scarsa accendibilità della miscela è stata superata, appunto, creando una turbolenza nella camera di combustione, che si ottiene in vari modi fra essi combinabili. Si può agire sulla forma del tratto terminale dei condotti di aspirazione, incurvandoli in modo da rendere l'ingresso della miscela tangenziale, cosicché essa assume un moto vorticoso; questo vortice, con asse parallelo a quello del cilindro, è chiamato swirl e lo si può ottenere anche mediante un'opportuna forma della corona del pistone e/o delle pareti della camera di scoppio. La turbolenza si può realizzare, infine, sfruttando il fenomeno di squish, che è innescato dalla configurazione particolare data alla testa del pistone (cupola asimmetrica), che provoca lo spostamento violento della miscela verso un incavo di forma idonea nel corpo principale della camera di scoppio posto intorno alla candela. Una soluzione alternativa è quella del motore a “carica stratificata” "Per lo schema di funzionamento di un motore a carica stratificata vedi il lemma del 13° volume." , ideato dalla giapponese Honda: in questo, la camera di scoppio principale è comunicante con un'altra ausiliaria, in cui si trovano la candela e una seconda valvola di aspirazione: nella camera principale viene immessa miscela povera, nell'altra miscela ricca che, incendiandosi facilmente, propagherà il fronte di fiamma con una certa turbolenza; analoga è la testa adottata dalla Toyota, che non richiede però alimentazione separata in quanto la miscela si arricchisce a causa del moto cui sono sottoposti i gas immessi dal turbocompressore; questi tipi di motore, usando in prevalenza miscele magre e ottimizzando la propagazione del fronte di fiamma, ottengono combustioni più complete e riducono sensibilmente gli inquinanti. Essi richiedono più efficienti sistemi di alimentazione e distribuzione, sia dal punto di vista meccanico sia della regolazione e gestione del loro funzionamento: vengono sempre più adottati “sistemi di distribuzione” con alberi a camme in testa che, rispetto a quelli ad aste e bilancieri, offrono minor ingombro e consentono leggi di apertura più rapide nonché una maggior libertà di scelta del parametro “incrocio”. Il numero delle valvole va aumentando, dalle 2 tradizionali fino a 5 per cilindro (testate plurivalvole), in modo da migliorare il riempimento della camera di scoppio e aumentare il rendimento del motore ad alto numero di giri; a basso numero di giri l'ottimizzazione è ottenuta mediante i “variatori di fase”, a comando meccanico o elettronico, che agiscono sulla fasatura delle valvole e consentono di ottenere alzate e tempi di apertura variabili in funzione di valori prefissati del numero di giri (anticipi minori a basso regime, elevati ad alto regime). Per garantire il riempimento ottimale dei cilindri in ogni condizione di funzionamento del motore, si adottano condotti di aspirazione a geometria variabile, nei quali una o più farfalle modificano la lunghezza del percorso effettuato dall'aria, collegando o meno condotti aggiuntivi. Il sistema più diffuso per aumentare le prestazioni di un motore è la sovralimentazione a gas di scarico mediante un compressore centrifugo (turbina) o volumetrico interposto fra carburatore o iniettori e camera di combustione; questa soluzione non è però favorevole al contenimento dei consumi, in quanto il motore viene alimentato con una maggior quantità di miscela. Una buona riduzione dei consumi specifici si ottiene, comunque, con l'iniezione a comando elettronico, che consente di immettere nel condotto di aspirazione (iniezione indiretta) o nella camera di scoppio (iniezione diretta) l'esatta quantità di benzina necessaria a quel determinato regime di marcia; con questo sistema è possibile adottare la regolazione elettronica delle funzioni primarie di un motore, in modo da garantire il suo corretto funzionamento e assicurare la minor produzione possibile di inquinanti. Sono avanzati gli studi per motori a gestione interamente elettronica, con accensione e iniezione diretta e con distribuzione di tipo idraulico a regolazione continua della fasatura. Grandi progressi si sono registrati nel campo dei motori Diesel veloci, specificamente progettati per autovetture: hanno regimi di rotazione elevati (4000 giri/min) e termodinamicamente il loro ciclo reale di funzionamento è diventato molto vicino a quello dei motori a scoppio, in quanto beneficiano delle nuove tecnologie dei materiali (ghise leggere) e possono essere indistintamente ad aspirazione naturale o sovralimentati. In essi la sovralimentazione con turbocompressore si adatta molto bene, in quanto il Diesel non soffre di problemi di detonazione, per cui consente prestazioni brillanti per un motore altrimenti “lento”; inoltre, con questa è possibile utilizzare l'iniezione diretta, a controllo elettronico, che consente rendimenti di combustione migliori di ca. il 15-20%, minori perdite di calore e consumi più contenuti, riducendo al minimo la rumorosità. Anche per i Diesel veloci sono allo studio sistemi di gestione elettronica, realizzati mediante elettroiniettori e pompe d'iniezione a comando elettronico, nonché sistemi di distribuzione a 4 valvole per cilindro, che garantirebbero una brillantezza pari a quella dei motori a benzina e una notevole riduzione delle emissioni inquinanti. La riduzione degli inquinanti è già ottenibile mediante apposite valvole denominate E.G.R. (Exhaust Gas Recirculation), che costringono i gas incombusti che escono dalla camera di scoppio a ritornarvi assieme ad aria pulita, in modo che l'ulteriore combustione riduca gli inquinanti presenti.

Motori e carburanti alternativi

Nel campo dei motori alternativi a benzina per autoveicoli, grazie alla gestione elettronica, torna in auge il motore a due tempi che, perfezionato, può risultare più vantaggioso e meno inquinante di quello a quattro tempi: una soluzione promettente è il motore. elaborato dall'australiana Orbital; in questo, l'aria viene aspirata nel carter, compressa quando il pistone è prossimo al P.M.I. e immessa nel cilindro mentre fuoriescono i gas di scarico; a questo punto il pistone comprime una miscela di aria e di residui gas di scarico e a metà corsa di compressione viene iniettata benzina nel cilindro da un sistema ad aria compressa simile a quello dei Diesel; la miscela viene dosata e controllata dalla sonda Lambda di un catalizzatore, per cui tale motore risulta poco inquinante. Per i motocicli sono allo studio perfezionamenti del motore Puch, apparso a metà Novecento, la cui cellula fondamentale è costituita da due cilindri affiancati che hanno in comune la camera di combustione, mentre le luci di aspirazione, travaso e scarico sono separate; con la gestione elettronica è possibile controllare il funzionamento dei cicli e ridurre le emissioni inquinanti allo scarico. La sostanziale uguaglianza e l'alto livello di sviluppo raggiunto dai motori a scoppio e Diesel tradizionali ha portato a una ripresa dello studio di soluzioni motoristiche alternative, come i motori rotativi, tipo Wankel, il cui sviluppo, portato avanti solo dalle industrie giapponesi, è condizionato dalle difficoltà nel controllare la cinetica di avanzamento del fronte di fiamma nella camera di combustione che, essendo geometricamente variabile, è poco favorevole alla completa combustione della miscela. Attenzione è posta anche verso altri tipi di motori, quali quelli policarburanti, quelli a metanolo o a miscela metanolo/benzina, quelli a idrogeno e soprattutto i motori a ciclo Stirling. La possibilità di utilizzare in uno stesso motore indistintamente diversi carburanti è particolarmente vantaggiosa nel campo dei trasporti pesanti e per gli automezzi militari: molte sono le soluzioni allo studio, la più promettente delle quali è quella ideata dall'inglese H. Ricardo e sperimentata dalla Johnson Matthey, che produce a livello mondiale catalizzatori industriali e per gas di scarico automobilistici. Questo motore è caratterizzato da una combustione che avviene direttamente su una matrice catalitica; architettonicamente simile a un Diesel a iniezione indiretta, il carburante viene iniettato in una precamera divisa in due parti da una griglia catalizzatrice, attraversando la quale il carburante reagisce con l'aria rilasciando calore; l'avviamento avviene dopo aver riscaldato la precamera con una candeletta classica per Diesel. Il combustibile che viene a contatto con il bruciatore catalitico può essere molto magro e quindi a basso numero di ottano; inoltre, non essendo la combustione affidata alla compressione, non ha importanza neppure il numero di cetano; grazie a queste caratteristiche il motore può funzionare con un rapporto di compressione ottimale (12:1) e utilizzare indifferentemente vari tipi di carburante; la presenza del catalizzatore assicura bassi consumi e livelli minimi di inquinanti NOx e CO, contenendo anche gli HC poiché la loro ossidazione sul letto catalitico è possibile anche a bassa temperatura. Questo motore si trova, però, ancora ai primi stadi di sviluppo e quindi la sua produzione è ancora lontana da una possibile affermazione di massa. Più avanzate le applicazioni di miscele di benzina e metanolo, che richiedono semplici modificazioni del tradizionale carburatore; tale accorgimento non è esente da controindicazioni dal punto di vista dell'inquinamento e del basso potere calorifico, per cui la ricerca tende a progettare ex novo motori a metanolo, che consentirebbero rendimenti più elevati, produrrebbero meno emissioni nocive e permetterebbero alla vettura benefici in termini di aerodinamica, dato che questi motori avrebbero dimensioni ridotte e pesi più contenuti. Combustibili con ottime prospettive d'impiego ai fini della realizzazione di motori a emissione zero d'inquinanti sono rappresentati dall'elettricità (motori elettrici) e dall'idrogeno: quest'ultimo, in particolare, presenta un elevato potere calorifico (il maggiore che si conosca per unità di peso), è molto abbondante in natura ed è facilmente ottenibile con processi poco inquinanti. Molte industrie automobilistiche (soprattutto la BMW) proseguono gli studi per realizzare motori a idrogeno in grande serie: si tratta di motori utilizzati solo sperimentalmente a causa di vari problemi, primo fra i quali il sistema d'immagazzinamento, a bordo del veicolo entro idonei serbatoi, dell'idrogeno che andrebbe mantenuto liquido a temperature estremamente basse.

Motore elettrico e ibrido

Negli ultimi decenni del sec. XX i continui progressi raggiunti nella tecnologia delle batterie di accumulatori hanno permesso l'evoluzione e la costruzione, anche se non ancora in scala commerciale, di autoveicoli a motore elettrico. Questi raggiungono velocità con punte di 80 km/h e hanno un'autonomia di percorso maggiore anche a 150 km. Il notevole peso delle batterie e la necessità di frequenti ricariche, sono però problemi non ancora risolti in maniera soddisfacentemente. Tuttavia la ricerca da parte delle case automobilistiche riguarda essenzialmente il progetto di automobili elettriche ibride (HEV, Hybrid Electric Vehicle). Questa tipologia di autovetture possiede una alimentazione di tipo elettrico, ma anche un piccolo motore a combustione interna e un generatore elettrico. Il generatore carica le batterie con continuità durante la marcia con motore tradizionale, oppure solo quando le batterie sono esaurite; in tal modo è risolto il problema delle frequenti ricariche che, con il solo motore elettrico, costringono spesso alla sosta del veicolo. Il motore a combustione interna può essere utilizzato quando le batterie sono scariche o in carica oppure quando è necessaria una maggiore potenza e velocità del veicolo (per esempio per lunghi viaggi). L'uso con batterie è invece essere ai percorsi cittadini, garantendo così un veicolo economico e non inquinante. Un HEV può essere di due tipi: del tipo in serie, se il generatore, azionato dal motore a combustione, carica le batterie che a loro volta alimentano il motore elettrico, o in parallelo, se l'albero motore è azionato direttamente sia dal motore elettrico sia da quello a combustione. Mentri gli Stati Uniti sono direttamente coinvolti nel progetto degli HEV al fine di realizzarne una produzione di serie, il Giappone ha prodotto degli autobus ibridi per la circolazione pubblica cittadina nel quadro di un programma atta a eliminare le emissioni di particelle inquinanti, caratteristiche dei motori diesel in fase di accelerazione; qui è appunto il motore elettrico a sostituire il diesel durante le fasi critiche. In Italia la prima automobile ibrida è stata costruita dalla FIAT: è un veicolo monovolume, con motore ibrido di tipo parallelo, con un'autonomia di circa due ore. La prima produzione in serie ha previsto un centinaia di esemplari che sono stati tutti venduti a soggetti pubblici per usi urbani.

Motore a idrogeno

Il motore a idrogeno sembra essere più indicato per la produzione di una futura automobile ecologica. La tecnologia prevede che il motore venga sostituito da una cella a combustibile, un dispositivo capace di estrarre energia dalla reazione tra idrogeno e ossigeno, con emissione di acqua come unico prodotto di scarico. Tuttavia la tecnologia del motore a idrogeno presenta diversi problemi, non ultimo l'elevato costo produttivo, che ne impediscono, al momento, la produzione su scala commerciale. Finora sono stati messi a punto solo dei prototipi. Una ricerca comune a molte case produttrici interessati a questo tipo di tecnologia, ha generato una partnership (chimata Fuel Cell Partnership) nella quale anche la FIAT ha elaborato un prototipo con prestazioni paragonabili a quelle di un'automobile a motore tradizionale (a combustione interna).

Motori idraulici

Sono motori che impiegano l'energia posseduta da un liquido (supposto incomprimibile) disponibile in natura (per esempio un fiume) o a esso fornita da altri motori primi. Nella prima categoria rientrano le ruote e le turbine idrauliche per lo sfruttamento di un salto d'acqua; nella seconda vengono considerati i motori idraulici volumetrici. I primi possono essere considerati anche a energia naturale.

Motori ad aria compressa

Detti anche motori pneumatici, funzionano con aria compressa che, prelevata da una linea (nella quale l'aria viene compressa da compressori mossi da motori elettrici o a combustione), si espande, cedendo alle pareti mobili del motore l'energia di pressione di cui è stata precedentemente arricchita e che viene successivamente scaricata nell'atmosfera. "Per i motori pneumatici vedi schemi al lemma del 13° volume." Per la loro struttura i motori ad aria compressa potrebbero, almeno in senso lato, sembrare tutti a flusso continuo, sennonché in quelli a pistoni o a capsulismi all'ingresso del motore vi è un distributore, quindi anche se l'alimentazione della linea è continua, l'immissione nella camera di espansione è discontinua (flusso intermittente). Nei motori a flusso continuo, l'immissione può essere tangenziale o assiale: i primi, costruttivamente e come prestazioni, sono molto simili a quelli rotativi a lamelle a flusso discontinuo e vengono impiegati in macchine utensili portatili; i secondi, che sono vere e proprie turbine, sono utilizzati, per esempio, nei trapani per odontotecnica. I motori ad aria compressa a flusso discontinuo possono essere del tipo alternativo oppure rotativo: i primi sono motori stellari a pistoni radiali, con un numero generalmente da 4 a 6 cilindri per ogni stella, ma raramente ne presentano più di una; quelli rotativi sono a lamelle e a capsulismi. Vengono usati in concorrenza con motori elettrici o idraulici ogni qualvolta si verificano particolari condizioni favorevoli, come: preesistenza di un circuito di aria compressa; richiesta di grandi coppie o spinte per tempi limitati; necessità di evitare per motivi di sicurezza condutture elettriche; possibilità di utilizzo dell'aria scaricata per rimuovere polveri o fuliggine o semplicemente per rinnovo di aria viziata; temperature di esercizio elevate o bassissime o in presenza di fiamme, quando i liquidi ordinari di eventuali linee oleodinamiche dovrebbero essere sostituiti causa la variazione di viscosità; difficoltà di reperimento di fluido idraulico motore, in quanto viene aspirata direttamente dal compressore l'aria ambiente previa filtratura della polvere. Per impianti funzionanti a bassa temperatura occorre procedere a deumidificazione dell'aria per prevenire formazioni di ghiaccio all'espansione. Caratteristica di tali motori è la tendenza a funzionare alla velocità massima, che per altro è influenzata dalle resistenze passive del motore stesso; pertanto sono impiegati quasi insostituibilmente dove si richieda un funzionamento rapido del tipo “tutto o niente”, come nel campo dell'automazione: in questo caso vengono chiamati anche servomotori. La regolazione della velocità avviene con strozzamento dell'aria allo scarico o con dispositivi idraulici. I motori ad aria compressa hanno trovato impiego per i lavori in miniera; quali propulsori per siluri; per lavori edili e stradali; in macchine semoventi; per l'azionamento di piccoli strumenti, che possono ospitare un motore pneumatico a lamelle con potenza da 0,2-0,5 kW addirittura nell'impugnatura.

Motori elettrici

Sono macchine che trasformano energia elettrica in lavoro meccanico. Appartengono, nella grande maggioranza, a tre gruppi fondamentali: sincroni, asincroni, con collettore a lamelle.

Motori elettrici sincroni

Sono strutturalmente del tutto simili al generatore (vedi anche alternatore): gli avvolgimenti di statore, alimentati con tensione alternata trifase, generano un campo magnetico rotante . Il rotore porta avvolgimenti alimentati in corrente continua attraverso spazzole striscianti su un collettore a due anelli e ruota con la velocità del campo rotante, che ha valore rigorosamente costante, espresso, in giri al minuto, dalla relazione n=60f/p, dove f è la frequenza della tensione di alimentazione e p il numero delle coppie di poli della macchina. Il motore sincrono, per valori sufficientemente elevati dell'intensità della corrente di eccitazione, può assorbire dalla rete corrente sfasata in anticipo anziché in ritardo, come gli altri tipi di motore a corrente alternata, operando un'azione di rifasamento sulla rete. All'avviamento, deve esser portato alla velocità di sincronismo prima di poterne eccitare i poli di rotore e di poterlo utilizzare come tale. Si usa allo scopo un motore di lancio, o si munisce il rotore di una seconda serie di avvolgimenti, di solito a gabbia, per cui esso si avvia come motore asincrono e funziona poi come sincrono: nella fase di avviamento non deve esser caricato meccanicamente. Durante il funzionamento normale, non può sviluppare una coppia motrice superiore a un valore ben preciso per ogni macchina. Se il carico meccanico cui è unito esercita sul suo albero una coppia resistente superiore a tale valore di coppia motrice, il motore “perde il passo” e rapidamente si arresta. I motori sincroni sono macchine di struttura complessa, più pesante, a pari potenza, di altri tipi di motore elettrico, e più costose. Il loro impiego si riduce a un limitato numero di azionamenti industriali di rilevante potenza nei quali ha importanza essenziale la costanza della velocità ma tende a diminuire essendo sempre più sensibili e rapidi i sistemi di regolazione in velocità di altri tipi di motore. Molto usati invece, anche se per potenze molto piccole, motori sincroni nei quali i poli del rotore sono costituiti da magneti permanenti, per cui non occorre eccitarli con una corrente continua. Gli avvolgimenti di statore possono essere trifasi o più spesso monofasi: in tal caso si hanno due avvolgimenti statorici disposti a 90º l'uno rispetto all'altro e percorsi da due correnti tra le quali, mediante condensatori, si realizza un certo sfasamento. La coppia sviluppata è modestissima, ma la velocità di rotazione è rigorosamente costante, per cui i motori sincroni di questo tipo sono d'uso frequentissimo specialmente per temporizzatori e per orologi elettrici, che risultano di modesto costo e precisione elevata.

Motori elettrici asincroni

"Per il funzionamento del motore asincrono vedi diagramma e schemi al lemma del 13° volume." Vi appartiene la maggioranza dei motori elettrici per usi industriali e semi-industriali: motopompe per acqua potabile in edifici piccoli e grandi, bruciatori per riscaldamento, grandi impianti di condizionamento ecc. In tali motori lo statore è munito di avvolgimenti induttori analoghi a quelli dei motori sincroni, percorsi da correnti che generano un campo magnetico rotante. Il rotore porta avvolgimenti indotti chiusi in cortocircuito, non eccitati dall'esterno, che diventano sedi di forze elettromotrici e quindi di correnti quando esso ruota a una velocità inferiore a quella del campo rotante (velocità di sincronismo), in quanto, in tali condizioni, essi vengono tagliati dalle linee di flusso del campo rotante "Il diagramma e i disegni schematici relativi al funzionamento del motore asincrono sono a pag. 233 del 15° volume" . La velocità di lavoro dei motori sincroni, secondo le caratteristiche costruttive e del carico, è del 2-6% inferiore alla velocità di sincronismo; tale percentuale viene detta scorrimento percentuale, o semplicemente scorrimento. La velocità di lavoro dei motori asincroni è quindi poco variabile al variare delle condizioni di carico e ciò li rende adatti alla maggior parte degli azionamenti industriali a velocità costante. In numerosi casi si usano motori asincroni con due avvolgimenti di statore, che danno due distinte velocità sincrone, e li si accoppia a un cambio a ingranaggi. Con tale sistema, per esempio, nelle macchine utensili si ottengono, al mandrino, diversi valori di velocità, ognuno dei quali può essere considerato costante con sufficiente approssimazione. Il rotore è costituito da un albero che porta un pacco di lamierini con cave, nelle quali vengono disposti i conduttori dell'avvolgimento; nei tipi di potenza piccola e media l'avvolgimento si riduce a una “gabbia” costituita da pochi conduttori di notevole sezione, collegati in cortocircuito mediante anelli siti alle due testate del pacco. Tali avvolgimenti vengono spesso realizzati colando nelle cave del rotore lega leggera fusa; uno stampo di caratteristiche adatte consente di ricavare, con la stessa colata, i due anelli di cortocircuito. Se viene sovraccaricato, rallenta e oltre un certo limite sviluppa una coppia decrescente, con elevato assorbimento di corrente, e può anche arrestarsi. Viene protetto contro tale eventualità da teleruttori a scatto termico, detti “teleruttori-salvamotori”. La coppia allo spunto è generalmente inferiore alla coppia di lavoro e le correnti assorbite allo spunto e ai bassi regimi sono molto intense. Per limitarne l'intensità si possono collegare gli avvolgimenti statorici a stella in fase di avviamento e commutarli a triangolo quando il motore ha raggiunto la velocità di lavoro. Questa soluzione viene adottata per motori con rotore a gabbia e permette di ridurre l'intensità della corrente di spunto a un terzo del valore che avrebbe se gli avvolgimenti statorici fossero collegati a triangolo. Viene però ridotto nella stessa proporzione anche il valore della coppia di spunto. Nei tipi di maggior potenza il motore porta avvolgimenti veri e propri, connessi a un collettore a tre anelli, sul quale strisciano tre serie di spazzole. Queste sono a loro volta collegate alle tre fasi di un reostato, per cui all'avviamento gli avvolgimenti rotorici risultano collegati in serie al reostato, che ne limita l'assorbimento di corrente ma non influisce sul valore della coppia massima sviluppata. Dimensionando questo opportunamente, si può ottenere che il motore sviluppi la coppia massima allo spunto. Una volta avviato il motore, il reostato viene progressivamente disinserito, in modo che il motore sviluppi la coppia massima in corrispondenza di valori crescenti della velocità di rotazione. Alla velocità normale di lavoro, il reostato risulta del tutto disinserito e le spazzole vengono collegate in cortocircuito. Il motore asincrono sta acquistando maggior interesse con il progresso dell'elettronica di potenza. Può infatti essere alimentato mediante un invertitore trifase a frequenza variabile, con il che il motore asincrono diventa un motore a velocità variabile, adatto alla trazione elettrica e agli altri azionamenti a velocità variabile. Derivati dagli asincroni trifasi (o in genere polifasi) sono gli asincroni monofasi. In essi si ha uno statore che porta, come nei motori sincroni monofasi, due avvolgimenti, alimentati da una rete in alternata monofase, ma percorsi da correnti tra loro sfasate per mezzo di condensatori, che generano quindi un campo rotante. Per potenze basse (pochi watt), si ha un unico avvolgimento e il pacco di lamierini che lo porta è abbracciato per parte della sua sezione da un anello in rame (anello sfasatore), sufficiente a ottenere un campo rotante, seppure di debole intensità (tali motori vengono detti “a spira in cortocircuito” o “a bobina-schermo”). I motori asincroni monofasi, nonostante abbiano rendimenti bassi, sono largamente usati per elettrodomestici di vario genere (ventilatori, frigoriferi, condizionatori, termoconvettori, lavatrici ecc.), poiché sono costruttivamente semplici e silenziosi e non richiedono manutenzione anche per anni. I motori monofasi sono stati semplificati al massimo, per renderne la costruzione più economica. Si sono così realizzati motori di notevole semplicità costruttiva e di costo contenuto, caratterizzati però da rendimenti molto bassi, che possono scendere anche al di sotto del 10%. Ciò spiega perché il consumo degli elettrodomestici è diventato mediamente assai più elevato, a pari prestazioni, di quello dei corrispondenti apparecchi di costruzione precedente. Il tema è stato preso in seria considerazione in congressi e conferenze, in quanto la potenza unitaria degli elettrodomestici è bassa, ma la loro diffusione è tale che essi costituiscono una voce importante del consumo globale di energia. Il loro basso rendimento comporta quindi, nel bilancio generale dei consumi energetici, un fattore di irrecuperabile spreco per cifre assolute e percentuali di pieno rilievo. I motori asincroni per uso industriale generale sono stati oggetto di una estesa normalizzazione a livello europeo, nel campo delle potenze piccole e medie: in particolare sono state normalizzate le prestazioni, i livelli di potenza, le tensioni, le dimensioni, gli alberi, gli attacchi e i fissaggi. È stato possibile così diminuire fortemente il numero dei modelli presenti sul mercato e costruire i tipi normalizzati in serie molto più grandi, con una forte riduzione dei costi sia di produzione sia di manutenzione. Hanno acquistato maggior interesse ed è prevedibile che si diffonderanno sempre di più i motori asincroni a velocità variabile, in relazione soprattutto allo sviluppo degli invertitori.

Motori elettrici con collettore a lamelle

Costruttivamente è simile alla dinamo. Se si eccitano i poli di statore e si alimenta, attraverso le spazzole, l'avvolgimento posto sul rotore, si genera una coppia motrice dovuta all'interazione dei flussi generati dalle correnti di statore e di rotore. L'uso tipico del motore con collettore a lamelle è quello con alimentazione in corrente continua in trazione elettrica e negli azionamenti industriali che richiedono velocità variabile entro ampi limiti e coppie elevate allo spunto. È un motore molto flessibile e può essere alimentato senza inconvenienti a tensioni variabili entro larghi limiti, fornendo, per tale motivo, caratteristiche meccaniche differenti. L'avvolgimento di statore (induttore) e quello di rotore (indotto) possono essere connessi in serie o in parallelo, con possibilità di regolazione indipendente delle due correnti che li percorrono. Tipico della trazione elettrica è il motore con avvolgimento induttore in serie all'indotto, in quanto sviluppa la massima coppia allo spunto. In tali condizioni, la coppia sarebbe così elevata da provocare slittamenti e la corrente così intensa da danneggiare la macchina, per cui l'avviamento avviene inserendo in serie al motore un reostato (detto appunto di avviamento), che viene poi gradualmente disinserito dato che, con la rotazione, si genera nel rotore una forza controelettromotrice che provvede a limitare la corrente. Il motore con collettore a lamelle, a eccitazione in serie, può essere alimentato in corrente alternata monofase, se opportunamente dimensionato e munito di poli lamellati e, nei tipi più grandi, di spazzole speciali stratificate in diversi materiali. Tale tipo di motore è stato utilizzato spesso in trazione elettrica (si tende però a utilizzare rotabili con raddrizzatori statici a bordo e motore in continua) e viene largamente usato per piccole potenze negli elettrodomestici (macinacaffè, lucidatrice, aspirapolvere) per la forte coppia di spunto e il buon rapporto potenza/peso, anche se è rumoroso e ha solitamente una commutazione non perfetta, che può recare qualche disturbo alle ricezioni radiofoniche e televisive. L'avvento massiccio dei sistemi a chopper ha comportato lo studio di motori adatti a funzionare con una tensione di alimentazione praticamente continua, che contiene però una componente alternata (motori a corrente ondulata). I motori di questo tipo sono sostanzialmente a corrente continua, ma richiedono un circuito magnetico laminato e un accurato studio della commutazione. Il rendimento risulta alquanto più basso di quello dei normali motori a corrente continua in quanto vi sono perdite per isteresi e per correnti parassite nel circuito magnetico.

Altri tipi di motori elettrici

"Per i motori elettrico lineare e a repulsione vedi schemi al lemma del 13° volume." Tutti gli altri motori elettrici possono ricondursi ai tre principali: A) il motore lineare a induzione, o semplicemente motore lineare, l'unico motore elettrico non rotante. Per comprenderne il funzionamento è opportuno osservare che, benché normalmente nei motori asincroni l'avvolgimento induttore si trovi sullo statore e l'indotto sul rotore, il motore funziona anche se si scambiano le funzioni dei due avvolgimenti. Il motore lineare può essere pensato allora come un motore asincrono di diametro infinito con indotto fisso o, più precisamente, come un motore aperto lungo una generatrice e sviluppato in un piano, al quale è solidale l'indotto, che potrebbe essere del tipo a gabbia ma generalmente è costituito da una semplice piastra in materiale conduttore. Tra indotto e induttore nasce una forza che provoca la traslazione di quest'ultimo. Motori lineari sono spesso usati per muovere grandi porte scorrevoli di capannoni o hangar, mentre la sperimentazione è orientata in vista di applicazioni del motore lineare in trazione elettrica, disponendo tra i binari una lamina di alluminio che funziona da indotto e installando sul veicolo gli avvolgimenti induttori. Si avrebbero così veicoli con ruote esclusivamente portanti, affidati al motore lineare per la marcia e la frenatura, capaci di elevate velocità. Permane grave il problema di ridurre i traferri tra lamina e poli, che abbassa ancora il già basso rendimento di tale tipo di motore. B) I motori a repulsione, di non grande potenza, sono strutturati come i motori con collettore a lamelle alimentati in alternata monofase, ma hanno le spazzole chiuse in cortocircuito e spostabili sul collettore. Alimentando l'avvolgimento di statore si generano per induzione nell'avvolgimento del rotore delle forze elettromotrici che fanno circolare una corrente tra le spazzole. Il rotore risulta allora sollecitato da una coppia meccanica il cui valore dipende dalla posizione delle spazzole sul collettore (in particolare è nullo quando le spazzole si trovano sull'asse dei poli). Non sono molto usati. C) I motori a riluttanza, di basso rendimento ma di notevole semplicità costruttiva e basso costo, si usano per potenze molto piccole. Presentano uno statore con avvolgimenti disposti come quelli di un motore asincrono e un rotore con avvolgimenti a gabbia su un nucleo magnetico che presenta ampie scanalature longitudinali. Si avviano in base al principio di funzionamento degli asincroni e, una volta giunti in prossimità della velocità di sincronismo, la raggiungono e la mantengono, in quanto il rotore tende a disporsi in ogni istante nella posizione nella quale, per effetto delle scanalature del rotore, la riluttanza del circuito magnetico del motore è minima. D) I motori a isteresi, anch'essi costruiti per piccole potenze, presentano uno statore simile a quello dei motori asincroni monofasi, talvolta del tipo a spira in cortocircuito, che genera un campo rotante. Il rotore è costituito da uno o più anelli in acciaio e all'avviamento si comporta analogamente a un rotore a gabbia di motore asincrono. Una volta raggiunta una velocità vicina a quella sincrona, la raggiungono e la mantengono, in quanto il materiale che costituisce il rotore, che ha un alto valore del campo coercitivo, rimane magnetizzato per isteresi. I motori a isteresi sono usati, per esempio, in orologi elettrici e giradischi. E) Il motore Schrage, a velocità variabile, ha ormai scarsa applicazione a causa della sua complessità. Presenta un rotore con due collettori, uno a tre anelli e uno a lamelle, a cui fanno capo rispettivamente un avvolgimento analogo a quello induttore dei motori asincroni trifasi e un avvolgimento analogo a quello di un rotore delle macchine a corrente continua. "Gli schemi relativi a motori a corrente continua con eccitazione indipendente e derivata e al motore a corrente continua con eccitazione in serie sono a pag. 233 del 15° volume." Lo statore porta tre avvolgimenti ognuno dei quali fa capo a due spazzole che poggiano sul collettore a lamelle. Tali spazzole possono essere spostate, facendo loro assumere diverse posizioni. Mediante tale spostamento si ottengono variazioni nella velocità di regime del motore. F) Per il metamotore, vedi metadinamo.

Motori a energia meccanica potenziale

"Per i motori a corrente continua con eccitazione indipendente e derivata e in serie vedi schemi al lemma del 13° volume." Sono motori che sfruttano l'accumulo di energia meccanica precedentemente fornita loro naturalmente (per esempio manualmente dall'uomo) o raccolta in altro modo o da altri motori primi. Si differenziano per il tipo di accumulatore impiegato. L'esempio più diffuso è quello a molla, impiegato negli orologi, nei giocattoli e in alcuni strumenti portatili. Nei motori a molla questa, che generalmente è a spirale, restituisce l'energia accumulata in fase di carica deformandosi elasticamente, e la scarica può essere resa graduale da un oscillatore (bilanciere o pendolo) e da uno scappamento (orologio). La carica viene fornita a mano o con un automatismo che sfrutta le oscillazioni del polso, o, per gli orologi da tavolo, le variazioni di temperatura, di illuminazione, di pressione ecc. dell'ambiente. Sempre nel campo degli orologi vengono usati i motori a peso, che furono i primi impiegati e che vengono preferiti a quelli a molla quando si dispone dello spazio per installarli, perché trasmettono ai ruotismi una sollecitazione costante. In applicazioni moderne la ricarica manuale è sostituita da un automatismo che, giunto il peso a un certo livello, mette in moto un motore elettrico. Il contrappeso di alcuni impianti di sollevamento (ascensori ecc.) può essere considerato la forma più semplice di motore a peso. Ultimo esempio sono i motori a volano che hanno impiego assai limitato. Un volano di momento di inerzia J portato alla velocità ω (per esempio da un motore primo con coppia limitata) possiede una energia cinetica E=Jω²/2 che può restituire o in un breve intervallo, come nelle presse, nei magli ecc. con momenti resistenti molto alti, oppure in un lungo intervallo con bassi momenti resistenti come in taluni giocattoli ove viene anche accelerato a mano. In applicazioni particolari si è impiegato il volano per trazione, raccogliendo energia in tratti discendenti per restituirla nelle rampe. Sono usati nei giocattoli, per esempio nelle automobiline a frizione.

Motori a energia naturale

Sono tali tutti quei motore che sfruttano l'energia disponibile in varie forme e misure in natura. In ultima analisi tutti i motori sfruttano un'energia presente in natura, tuttavia vengono raggruppati sotto questa dizione quelli la cui energia di alimentazione è fornita direttamente da agenti naturali. Tra questi si ricordano il vento, il sole, le maree, i fiumi e i bacini montani e le fonti geotermiche. Motori a energia naturale possono essere considerati anche quelli ad azione muscolare animale o umana, che costituiscono la forma più antica di motore.

Motore a ioni

È questo un tipo di motore in fase teorica; esso permetterebbe di utilizzare la spinta fornita dall'eiezione ad altissima velocità di particelle caricate elettricamente, accelerate pure elettricamente. Il motore a ioni, previsto per la propulsione di veicoli spaziali, potrebbe permettere l'ottenimento di spinte assai modeste, se rapportate a quelle fornite da razzi con propellenti chimici e al peso del propulsore, ma con una spesa minima di materiale da eiettare, date le elevate velocità con cui questo potrebbe venir espulso. Un motore a ioni che utilizza, per esempio, ioni ottenuti caricando positivamente, mediante una griglia metallica incandescente, atomi di cesio, potrebbe avere velocità di eiezione dell'ordine dei 2.000.000 di m/s, ciò consentirebbe l'ottenimento di elevati impulsi specifici e quindi di ridotti consumi di massa da espellere. Tuttavia la ridotta spinta ottenibile, specie se rapportata al vistoso peso del complesso necessario per produrre gli ioni e del sistema per accelerarli, fanno sì che un tale motore potrebbe essere utilmente impiegato solo per missioni di grande durata, con partenza dal vuoto, negli spazi intersiderali.

Motore a plasma

Si tratta di un motore teorico che utilizzerebbe, per fini propulsivi, l'eiezione da un ugello di un flusso di gas fortemente ionizzato, costituente appunto un plasma, accelerato dall'azione di un campo elettromagnetico. Questa tecnica di propulsione, anche se non ha ancora superato la fase sperimentale, presenta un notevole interesse per possibili applicazioni spaziali, dato che l'elevata velocità con cui il plasma può venir eiettato, dell'ordine dei 300.000 m/s, consente eccezionali impulsi specifici, nonché vistose economie nelle masse gassose da eiettare. Le tecniche seguite per eiettare plasma ad alta velocità prevedono di utilizzare soprattutto tubi d'urto, in cui il plasma viene prodotto mediante scariche elettriche, e accelerato lungo il condotto da forze elettromagnetiche. Questi sistemi, impiegati soprattutto per ottenere singole scariche, ma che hanno aperto la strada a tecniche basate su scariche ripetute e anche continue, hanno peraltro rendimenti piuttosto ridotti. A questo fenomeno, oltre al fatto che il peso di un motore a plasma è assai elevato in rapporto alla spinta da questo fornita, sono da attribuirsi le scarse possibilità di utilizzazione pratica di questo motore. Il prevedibile impiego del motore a plasma è quello su veicoli spaziali impegnati in missioni interplanetarie di lunga durata, cui anche una spinta ridotta, purché applicata per tempi considerevoli, consentirebbe di raggiungere elevatissime velocità finali.

Motore a fotoni

È il più teorico dei motori in quanto basato sulla possibilità di utilizzare l'emissione di energia radiante, sotto forma di fotoni, da parte di una superficie a temperatura convenientemente elevata. Data l'insuperabile velocità dei fotoni, sarebbe caratterizzato da valori eccezionali dell'impulso specifico, il cui ordine di grandezza sarebbe circa 40.000 volte più elevato di quello ottenibile con propellenti chimici, e corrispondentemente da ridottissimi valori della massa espulsa nell'unità di tempo. Prima di poter elaborare in sede tecnica un motore a fotoni occorre risolvere, però, numerosi problemi (tra cui diversi di metallurgia), anche teorici. È comunque prevedibile che la sua utilizzazione avverrà per mezzi interstellari, dato che permetterebbe di raggiungere velocità eccezionalmente elevate, fornendo spinte di esigua entità ma per intervalli di tempo estremamente lunghi.

Per le generalità e i motori termici

G. Giambelli, Lezioni di fisica tecnica, Milano, 1964; A. Capetti, Motori termici, Torino, 1967; C. Bossaglia, Il motore a due tempi di alte prestazioni, Roma, 1968; C. Taylor, The International-Combustion Engine in Theory and Practice, Cambridge (Mass.), 1968; C. Corrado, Motori a combustione interna, Milano, 1969; D. Giacosa, Motori termici, Milano, 1986.

Per i motori elettrici

A. E. Fitzgerald, C. Kingsley, Electric Machinery, New York, 1961; A. Barbagelata, P. De Pol, Macchine e apparecchi elettrici, Milano, 1968; L. Olivieri, E. Ravelli, Elettrotecnica, vol. II, Padova, 1972; P. Criscuoli, Motori trifasi a induzione di piccola e media potenza, Milano, 1987.