Il Ciclo Otto: cuore pulsante dei motori a benzina

Il motore a combustione interna, una delle invenzioni più significative della storia, si basa sul principio del ciclo Otto per la sua operatività. Questo ciclo, così chiamato in onore dell’ingegnere tedesco Nikolaus August Otto che lo brevettò nel 1876, illustra le fasi che permettono a un motore a benzina di convertire l’energia chimica contenuta nel carburante in energia meccanica utilizzabile per la propulsione di un veicolo.

Le quattro fasi del ciclo Otto

1. Aspirazione. In questa fase, il pistone, partendo dal Punto Morto Superiore (PMS), si muove verso il Punto Morto Inferiore (PMI), creando una depressione all’interno del cilindro. Questa depressione permette alla miscela di aria e benzina, preparata dal sistema di alimentazione, di essere aspirata all’interno del cilindro attraverso la valvola di aspirazione.
2. Compressione. Con la valvola di aspirazione chiusa, il pistone inverte il suo moto, risalendo dal PMI al PMS. Durante questa fase, la miscela aria-benzina viene compressa adiabaticamente, il che comporta un aumento significativo della sua temperatura e pressione.
3. Scoppio. Quando il pistone raggiunge il PMS, la candela di accensione genera una scintilla che innesca la combustione della miscela aria-benzina. La combustione è un processo rapido ed esotermico, che libera una grande quantità di energia sotto forma di calore. L’espansione dei gas dovuta alla combustione spinge con forza il pistone verso il PMI, generando la fase attiva del ciclo, quella che produce lavoro utile.
4. Scarico. Con il pistone al PMI, si apre la valvola di scarico, permettendo ai gas combusti di fuoriuscire dal cilindro grazie alla loro pressione residua. Il pistone risale nuovamente verso il PMS, espellendo completamente i gas di scarico e preparando il cilindro per un nuovo ciclo.

Il ciclo Otto ideale vs. ciclo Otto reale

Il ciclo Otto descritto sopra rappresenta un modello ideale, in cui le fasi adiabatiche avvengono senza scambio di calore con l’ambiente esterno e le fasi a volume costante (scoppio e scarico) avvengono istantaneamente. Nella realtà, il ciclo Otto “reale” si discosta da quello ideale a causa di diversi fattori:

• Attrito. L’attrito tra le parti in movimento del motore (pistone, biella, albero motore) genera calore, riducendo l’efficienza del ciclo.
• Dispersione di calore. Il calore generato dalla combustione non viene interamente convertito in lavoro utile, ma una parte viene dispersa nell’ambiente attraverso le pareti del cilindro e del motore.
• Inerzia. I componenti meccanici del motore hanno una certa inerzia, il che significa che il loro movimento non è istantaneo come previsto nel ciclo ideale.

Queste differenze tra il ciclo ideale e quello reale comportano una riduzione del rendimento termodinamico del motore, ovvero la percentuale di energia chimica convertita in lavoro utile.

Rendimento del ciclo Otto

Il rendimento del ciclo Otto è influenzato principalmente dal rapporto di compressione (ϱ), definito come il rapporto tra il volume massimo (v1) e il volume minimo (v2) del cilindro durante il ciclo. Un rapporto di compressione più elevato consente di estrarre una maggiore quantità di energia dalla combustione, aumentando il rendimento del ciclo.

Tuttavia, nei motori a benzina, il rapporto di compressione è limitato dal fenomeno della detonazione, ovvero l’autoaccensione incontrollata della miscela aria-benzina prima dello scoppio programmato dalla candela. La detonazione può causare danni al motore, riducendone l’affidabilità e la durata.