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I motori aeronautici devono soddisfare la richiesta di potenza necessaria per far volare un determinato aeromobile, offrendo il miglior compromesso tra le seguenti caratteristiche, per molti aspetti tra loro contrastanti:
I motori alternativi a combustione interna realizzati nei vari campi delle applicazioni tecniche sono di numerosissimi tipi e sottotipi. Una prima suddivisione puo essere fatta tra motori ad accensione per scintilla, comunemente detti a scoppio, e motori ad accensione per compressione, comunemente chiamati diesel.
I motori diesel - anche se piu efficienti - non hanno ancora trovato diffusa applicazione in aviazione, principalmente per il loro maggior peso e per la scarsa affidabilita nel funzionamento in certe situazioni, in modo particolare alle basse temperature.
Una seconda suddivisione nell'ambito dei motori a scoppio va fatta tra motori a 4 tempi e motori a 2 tempi. Anche in questo caso l'aviazione ha generalmente optato solo per i primi, sia per la loro maggior affidabilita e durata, sia per l'inadeguatezza del ciclo a due tempi a sviluppare potenze elevate. Pero, proprio per la loro capacita di fornire potenze piccole con rapporto peso/potenza favorevole, i motori a due tempi sono stati in certi casi adottati per la propulsione degli ultraleggeri.
I motori alternativi per aviazione sono pertanto motori ad accensione per scintilla, che bruciano benzina sfruttando il ciclo termico a 4 tempi. Sono macchine che trasformano l'energia chimica contenuta nella benzina in energia termica.
Vediamo schematicamente com'e costituito un motore di questo tipo, imparando a conoscerne le varie parti; successivamente vedremo com'e in grado di realizzare le trasformazioni sopra elencate.
Riferendoci alla figura 2.12, osserviamo che il motore e costituito da un involucro diviso in tre parti: il basamento, il cilindro, e la testata.
La tenuta tra il pistone e il cilindro e ottenuta tramite anelli elastici di acciaio (fasce elastiche) montati in apposite scanalature ricavate nel pistone. La distanza tra il punto morto superiore e quello inferiore si chiama corsa del pistone, mentre il diametro interno del cilindro si chiama alesaggio.
La figura 2.13 illustra come avviene la trasformazione del moto alternativo del pistone in moto rotatorio dell'albero motore. Il motore cosi descritto ha un solo cilindro, e percio si dice che e monocilindrico. Gli attuali motori di aviazione sono pero tutti pluricilindrici, con numero di cilindri pari variabile da quattro a otto.
Nei motori aeronautici a pistoni, l'elica e in genere applicata direttamente - o in presa diretta - all'albero motore, del quale conserva percio la stessa velocita di rotazione. Su alcuni motori di piu elevata potenza e su tutti i turboelica viene interposto un riduttore a ingranaggi, di solito di tipo epicicloidale.
La figura 2.14 aiuta a visualizzare come avviene la trasformazione dell'energia termica in energia meccanica durante le quattro fasi del ciclo termico Otto (dal nome dell'ingegnere che lo teorizzo). Il diagramma posto a fianco delle quattro viste di uno stesso cilindro durante le sue quattro fasi, mostra l'andamento della pressione nel cilindro.
A questo punto il ciclo e terminato, e il pistone e pronto a iniziare il successivo. Si puo chiaramente vedere che il ciclo si compie mentre il pistone fa quattro corse (appunto i quattro tempi), e l'albero motore fa due giri completi.
Vediamo ora gli organi ausiliari del motore, cioe quelli che lo "preparano" per il funzionamento. Infatti ci deve essere qualcosa che prepara la miscela aria-benzina, qualcos'altro che fa arrivare alla candela l'impulso elettrico che genera la scintilla, e un terzo qualcosa che fa aprire e chiudere le valvole al momento opportuno.
Cominciamo dal sistema di distribuzione, preposto all'azionamento delle valvole. Consiste in un albero a camme (o a eccentrici), il quale viene posto in rotazione dall'albero motore mediante un collegamento rigido (di solito a ingranaggi) che ha un rapporto di trasmissione di 2:1. Infatti, durante un ciclo, l'albero motore fa due giri, mentre l'albero a camme ne deve fare uno solo: ogni valvola, durante un ciclo, si deve infatti aprire e chiudere una sola volta.
In teoria la valvola di aspirazione si dovrebbe aprire quando il pistone e al punto morto superiore all'inizio dell'aspirazione, per poi richiudersi al punto morto inferiore all'inizio della compressione; mentre la valvola di scarico si dovrebbe aprire al punto morto inferiore al termine dell'espansione, per poi richiudersi al punto morto superiore al termine dello scarico.
In pratica, pero, le valvole si aprono e si chiudono in tempi piu o meno diversi da quelli teorici. La figura 2.16 mostra appunto il diagramma della distribuzione. L'apertura della valvola di aspirazione inizia 12° - dei 360° di un giro dell'albero a camme - prima che cominci l'aspirazione, e si chiude ben 55° dopo che e iniziata la fase di compressione.
Il ritardo nella chiusura della valvola di scarico viene anticipato di 60° e ritardato di 10° contemporaneamente all'anticipo di 12° nell'apertura della valvola di aspirazione. C'e pertanto un intervallo di tempo durante il ciclo, pari a 12° + 10° = 22°, in cui le valvole sono entrambe aperte. Questi 22° costituiscono l'angolo di lavaggio, cosi chiamato perche la nuova miscela che entra aiuta a spingere fuori i residui gas di scarico ancora presenti nel cilindro, e quindi appunto lo lava.
Passiamo ora all'impianto di accensione preposto a far scoccare la scintilla alla candela nel momento opportuno. L'impianto illustrato in figura 2.17 e un impianto a magnete, atto a produrre alta tensione (da 15.000 a 20.000 volt), necessaria per ottenere la scintilla tra gli elettrodi della candela.
Ogni motore d'aviazione e equipaggiato con due magneti e due circuiti di accensione, e ogni cilindro e dotato di due candele: ogni candela e servita da uno dei due magneti, cosicche se uno va in avaria, c'e sempre almeno una candela che assicura la combustione.
La scintilla alla candela viene fatta scoccare circa 15°-20° prima che il pistone raggiunga il punto morto superiore. Cio perche la fiamma impiega un certo tempo a propagarsi nella camera di scoppio, e quindi a bruciare completamente la miscela ivi presente. Sui motori aeronautici questo anticipo all'accensione e fisso (mentre sui motori automobilistici e variabile) perche i regimi di funzionamento sono molto uniformi.
La figura 2.19 (a) mostra un impianto di alimentazione a carburatore. Mediante una pompa azionata dal motore - o per caduta sugli aerei ad ala alta piu semplici - la benzina viene inviata dal serbatoio al carburatore (2.19b), che e l'organo preposto alla miscelazione dell'aria con il carburante, cioe propriamente alla carburazione.
L'impianto a carburatore presenta l'inconveniente di non permettere di distribuire la miscela aria-benzina in modo uniforme a tutti i cilindri. Data la sua semplicita e comunque universalmente impiegato per i motori di potenza limitata (in genere fino a 180 cavalli).
Un secondo sistema di alimentazione e quello a iniezione. La figura 2.20 mostra lo schema di un impianto di alimentazione a iniezione a flusso continuo, essenzialmente costituito da quattro elementi: una pompa meccanica azionata dal motore (1), un complesso di controllo del flusso aria-benzina (2), un divisore (3), e tanti ugelli di iniezione (4) quanti sono i cilindri del motore.
Il carburante viene prelevato dal serbatoio e messo in pressione dalla pompa. Attraverso il divisore e gli ugelli, il carburante viene iniettato nel collettore di aspirazione direttamente a monte della valvola di aspirazione.
Per funzionare, oltre a dover essere "servito" dagli impianti finora descritti, il motore ha bisogno di essere lubrificato e raffreddato.
L'impianto di lubrificazione (figura 2.21) consiste in una pompa che pesca l'olio lubrificante dalla coppa e - dopo il passaggio attraverso due filtri - lo invia nei condotti che lo convogliano a tutte le parti in movimento del motore.
In un motore aeronautico, oltre alla funzione di lubrificare, l'olio ha anche quella, importantissima, di raffreddare le parti interne del motore. Percio moltissimi motori sono dotati di un radiatore dell'olio, attraverso il quale il lubrificante cede all'aria il calore asportato dall'interno.
Il controllo del circuito di lubrificazione e effettuato dal pilota mediante il manometro della pressione e il termometro della temperatura dell'olio. Il manuale d'impiego di ogni aereo riporta la capacita della coppa dell'olio, e specifica quali sono le quantita minime che deve contenere per soddisfare la lubrificazione e il raffreddamento.
Il raffreddamento viene realizzato ad aria sfruttando il flusso generato dal moto dell'aereo e dell'elica. Per favorire l'asportazione del calore da parte del flusso d'aria, i cilindri sono muniti di alettature come quelle dei motori di motocicletta.
Il pilota controlla la temperatura delle teste dei cilindri mediante l'apposito termometro (CHT - Cylinder Head Temperature). Il surriscaldamento dei cilindri e pericoloso perche, oltre a deformare le sedi delle valvole, puo innescare la detonazione. Ma altrettanto pericoloso puo essere un eccessivo raffreddamento, specie se avviene in modo repentino: infatti la contrazione del metallo indotta dal raffreddamento, se avviene troppo rapidamente, puo causare incrinature nei cilindri.
Molti aerei portano nella parte inferiore della cappottatura del motore dei flabelli, che sono finestrelle chiuse da coperchi azionabili dal pilota, i quali sono in grado di ridurre o aumentare il flusso d'aria che passa sul motore, al fine di mantenerne le temperature entro i limiti fissati dal costruttore.
| Concetto | Descrizione |
|---|---|
| Tipo di motore | Motore alternativo a combustione interna, accensione a scintilla, ciclo Otto a 4 tempi |
| Cilindri | Pluricilindrici (4-8), disposizione a cilindri contrapposti orizzontali |
| Ciclo Otto | 4 fasi: Aspirazione, Compressione, Scoppio-Espansione, Scarico |
| Rapporto 2:1 | Albero motore fa 2 giri, albero a camme fa 1 giro per ogni ciclo |
| Angolo di lavaggio | 22° durante i quali entrambe le valvole sono aperte |
| Accensione | Doppi magneti indipendenti, 2 candele per cilindro |
| Anticipo accensione | 15°-20° prima del PMS, fisso sui motori aeronautici |
| Alimentazione | Carburatore (fino a 180 CV) o iniezione (oltre 200 CV) |
| Lubrificazione | Controllo: manometro pressione + termometro temperatura olio |
| Raffreddamento | Ad aria con alettature, controllo CHT, flabelli regolabili |
| Check | Parametro |
|---|---|
| Drop magneti | Max 175 RPM singolo, max 50 RPM differenza L-R |
| Carb Heat | Calo giri quando attivato (conferma funzionamento) |
| Pressione olio | Arco verde |
| Temperatura olio | Arco verde |
| CHT | Arco verde |