Quattro tempi: aspirazione, compressione, potenza, scarico

Nella maggior parte delle auto, il pistone ripete lo stesso ciclo a quattro tempi, ancora e ancora. Il nome deriva dai quattro tempi del pistone:

1. Aspirazione. La valvola di aspirazione si apre e il pistone si muove verso il basso, aspirando aria fresca. In un motore a benzina a iniezione indiretta, il combustibile viene spruzzato nell'aria in entrata; in un motore a iniezione diretta, viene spruzzato direttamente nel cilindro.
2. Compressione. Entrambe le valvole sono chiuse. Il pistone si muove verso l'alto e comprime il gas in uno spazio molto più piccolo. La compressione lo rende caldo e lo prepara alla combustione.
3. Potenza. Quasi al termine della corsa di compressione, la candela scocca la scintilla. La miscela brucia, il gas caldo si espande e spinge il pistone verso il basso. Questo è l'unico tempo che trasferisce energia all'albero motore. Entrambe le valvole sono ancora chiuse.
4. Scarico. La valvola di scarico si apre e il pistone si muove verso l'alto, spingendo fuori il gas bruciato. Poi il ciclo ricomincia.

Conta i giri dell'albero motore: ogni tempo è mezzo giro (180°), quindi un ciclo è 4 × 180° = 720°, cioè due giri completi dell'albero motore. L'albero a camme, che apre le valvole, deve aprire ogni valvola solo una volta per ciclo, quindi gira a metà della velocità dell'albero motore, un giro per ciclo. In un motore è azionato da una cinghia o da una catena con un rapporto di trasmissione di 2 : 1.

Questo significa anche che un singolo cilindro ha un tempo di potenza ogni due giri, non uno a ogni giro. A 3 000 rpm l'albero motore compie 50 giri al secondo, quindi un cilindro si accende 25 volte al secondo.

Da dove arriva l'energia per gli altri tre tempi? Dal volano e, in un motore multicilindrico, dagli altri cilindri, che si trovano nei loro tempi di potenza. I tempi di aspirazione, compressione e scarico richiedono tutti un po' di lavoro per pompare il gas e comprimerlo.

Se rappresenti la pressione del gas in funzione del volume del cilindro durante il ciclo, ottieni un circuito chiuso, il diagramma P–V. L’area all’interno del circuito è il lavoro netto per ciclo. Il mondo Motori termici di Particle Lab traccia questo diagramma per il ciclo Otto e ricava il suo rendimento; qui osserviamo soltanto il circuito mentre viene tracciato man mano che si muove il pistone.

Alcuni motori piccoli (tosaerba, motoseghe, piccoli scooter) sono a due tempi: accendono la miscela a ogni giro combinando le corse, il che li rende leggeri e semplici, ma più difficili da mantenere puliti. Le automobili usano quasi sempre il ciclo a quattro tempi perché controlla meglio lo scambio dei gas.