NOMENCLATURA.
tempo: è il movimento compiuto dal pistone dal p. m. s. al p. m. i. o viceversa; motore due tempi vuol dire che il ciclo si completa in due movimenti (per esempio su - giù) del pistone; quattro tempi vuol dire che il ciclo si completa in quattro movimenti (due su e due giù).
fase: è il fenomeno che avviene all'interno del cilindro, in seguito ad un certo comando; sono fasi la compressione, l'espansione, ecc.
accensione: è l'inizio della combustione ed è provocata da una causa preordinata ben precisa (per esempio lo scoccare di una scintilla elettrica).
combustione: è la combinazione chimica fra combustibile (benzina, ....) e comburente (ossigeno dell'aria).
valvola: è l'organo meccanico che apre o chiude i passaggi per il combustibile, l'aria e i gas combusti che devono essere scaricati all'esterno del motore.
anticipo o ritardo: le fasi devono essere coordinate con i tempi, cioè quando il pistone si trova in una data posizione deve avvenire un dato fenomeno; affinché il ciclo si compia nel modo previsto occorre che l'apertura e la chiusura delle valvole avvenga in anticipo o in ritardo rispetto alla posizione del pistone, in modo particolare per tener conto delle inerzie dei meccanismi.
scarico: è la fase nella quale i gas combusti, che quindi hanno esaurito il loro compito di produrre calore, vengono allontanati dal cilindro per fare posto ad una nuova carica combustibile - comburente.
manovella: è l'organo meccanico, collegato a snodo alla biella e in modo rigido all'albero motore, che obbliga l'albero a ruotare in funzione del moto rettilineo del pistone.
candela: è l'organo che produce la scintilla elettrica che innesca la combustione (accensione).
corsa "c": è il movimento del pistone fra i punti morti; in pratica coincide con il tempo.
punti morti: sono i punti nei quali il pistone cambia il verso del moto. Si dicono "morti" perché nel momento dell'inversione il pistone è fermo (non è possibile cambiare verso se non fermandosi, altrimenti si avrebbe una accelerazione infinita). Essi individuano il volume massimo v₂ e minimo v₁ del gas.
camera di combustione: è il volume compreso fra il cielo del cilindro e la faccia superiore del pistone, e quindi è il volume minimo v₁ raggiunto dal gas al termine della compressione e al termine dello scarico forzato.
pistone: è l'organo mobile dotato di moto alternativo che riceve la spinta dovuta all'espansione del gas. E' collegato con una cerniera alla biella, la quale, con il suo moto oscillante, costringe la manovella a muoversi di moto rotatorio. Il pistone è completato dalle fasce elastiche che hanno il compito di assicurare il contatto con il cilindro. Dal punto di vista costruttivo è di fondamentale importanza il suo diametro "d", chiamato anche "alesaggio".
cilindrata: è il volume descritto dal pistone in una corsa e quindi è misurato dal prodotto fra la sezione del cilindro e la corsa: V_c = p d² c / 4.
rapporto di compressione: è il rapporto fra il volume quando il pistone è al p. m. i. (volume massimo) e il volume quando il pistone è al p. m. s. (volume minimo: camera di combustione): r = v₂ / v₁.
miscela: è l'insieme di aria e benzina che viene preparata nel carburatore e costituisce la "dote" di energia che farà muovere il pistone.

TRASFORMAZIONI TEORICHE DEL CICLO OTTO.
Il ciclo teorico (vedi fig. A) si compone di quattro trasformazioni essenziali, più due sussidiarie, di un gas ideale; durante l'esposizione useremo anche espressioni e concetti che sono tipici dei motori reali (vedi fig. B):
1) ammissione (sussidiaria): è la trasformazione isobara 0 - 1. Non è necessaria nel ciclo teorico; nel ciclo reale serve per permettere l'ingresso nel cilindro della miscela aria - benzina, attraverso l'apertura dell'apposita valvola di ammissione. Avviene alla pressione atmosferica nel primo tempo, quando il pistone si muove da p. m. s. a p. m. i., determinando una pressione interna inferiore a quella esterna e di conseguenza permettendo all'aria atmosferica di entrare, trascinando con sè una dose di benzina, per occupare lo spazio lasciato libero dal pistone.
2) compressione: è la trasformazione adiabatica 1 - 2. Avviene nel secondo tempo, quando il pistone si muove da p. m. i. a p. m. s., determinando un forte aumento di pressione e di temperatura; nel ciclo reale l'aumento di temperatura determina la somiglianza del gas reale a quello ideale. Questa fase avviene a spese di lavoro esterno, e quindi negativo, fornito da un apposito organo meccanico chiamato volano.
3) combustione: è la trasformazione isocora 2 - 3. Avviene idealmente con pistone fermo al p. m. s. e quindi istantaneamente: è questa la situazione più lontana dalla realtà costruttiva, determinando la più importante differenza fra ciclo teorico e reale. La combustione inizia prima del punto 2 e finisce dopo il punto 3 per cui la trasformazione 2 - 3 si riduce ad un punto di tangenza.

figura A

4) espansione: è la trasformazione adiabatica 3 - 4. Avviene nel terzo tempo, quando il pistone si muove da p. m. s. a p. m. i., determinando una forte e rapida diminuzione di pressione e di temperatura, ed è l'unica fase attiva, nella quale il gas produce lavoro.
5) scarico naturale: è la trasformazione isocora 4 - 1. Avviene idealmente con pistone fermo al p. m. i. e quindi istantaneamente: si apre la valvola di scarico e il gas combusto, nel motore reale, esce spontaneamente avendo una pressione maggiore di quella atmosferica.
6) scarico forzato (sussidiaria): è la trasformazione isobara 1 - 0. Avviene nel quarto tempo, quando il pistone muovendosi da p. m. i. a p. m. s. espelle i gas combusti residui attraverso la valvola di scarico ancora aperta.

NOTA BENE.

Nel motore ideale con gas perfetto mancano la 0 - 1 e la 1 - 0 perché si tratta di un ciclo chiuso nel quale il gas riceve calore dall'esterno nella trasformazione 2 - 3 e lo cede all'esterno nella trasformazione 4 - 1, per cui non c'è nè combustione nè scarico. Se fosse possibile fornire e sottrarre calore(1) in tempi piccolissimi attraverso una parete, nel cilindro ci sarebbe sempre lo stesso gas e il ciclo del motore sarebbe simile a quello del frigorifero, salvo il verso di percorrenza.

IL CICLO OTTO REALE.
Le differenze più notevoli rispetto al ciclo teorico sono (vedi la figura B e le crocette blu):
1) l'ammissione avviene prima con pressione decrescente e poi crescente, perché il gas ha una sua inerzia (curva a).
2) la compressione è una politropica, prima più bassa dell'adiabatica (perché il cilindro cede parte del calore di compressione verso l'esterno) e poi più alta (perché è già cominciata la combustione: curve b e c).
3) la combustione inizia durante la compressione e quindi contrasta il moto del pistone (che fa più "fatica" a salire verso p. m. s.) e finisce durante l'espansione quando il pistone sta già "fuggendo" verso p. m. i. (curva d).
4) l'espansione è una politropica ad esponente variabile ed è più breve di un tempo perché la valvola di scarico deve aprirsi prima che si arrivi al punto 4, altrimenti il gas combusto non ha abbastanza tempo ed energia per uscire dal cilindro.
5) lo scarico naturale richiede una notevole dose di energia, che determina una brusca caduta di pressione nel cilindro (curva e).
6) lo scarico forzato non avviene "gratis", ma a spese dell'energia accumulata dal volano, con pressione prima crescente e poi decrescente a causa dell'inerzia del gas (curva f).

           
figura B                                                                        figura C

PRECISAZIONI.
1): l'inerzia sia del gas sia degli organi meccanici consiste nella resistenza ai cambiamenti di velocità, per cui il moto tende ad iniziare e finire in ritardo. Di conseguenza bisogna dare gli "ordini" in anticipo: ad esempio la valvola di ammissione inizierà l'apertura prima che sia finito lo scarico forzato.
2): l'inerzia si può anche sfruttare per ottenere dentro il cilindro una pressione della miscela fresca maggiore di quella atmosferica. Infatti (curva a) la valvola di ammissione si chiude un poco dopo il punto 1 e l'aria continua ad entrare nonostante che il pistone abbia già cominciato la corsa di compressione. Si ottiene così una piccola sovralimentazione, che determina un coefficiente di riempimento leggermente maggiore di uno.
3): la pressione massima reale è alquanto minore di quella teorica perché la combustione deve essere lenta, e iniziare prima di p. m. s. e finire dopo. Nel ciclo teorico la combustione si verifica istantaneamente e quindi si ottiene una pressione ben maggiore.
4): lo scarico inizia (curva e) durante l'espansione e prosegue (curva f) sin dopo l'apertura della valvola di ammissione, per cui per un breve periodo entrambe le valvole sono aperte (vedi al punto 1) con la cocreta possibilità che una parte della benzina esca insieme ai gas combusti (fase di "lavaggio").
5): il lavaggio è certamente una causa di perdita di energia, ma, se non ci fosse, rimarrebbe nel cilindro una maggiore quantità di gas combusto con conseguenze ben peggiori: infatti il gas combusto, caldo e privo di ossigeno, impedirebbe l'ingresso di una grande quantità di miscela fresca, con notevole riduzione di potenza. Ciò accade per esempio quando il condotto di scarico è sporco od ostruito, per cui i gas combusti non riescono ad uscire facilmente. In modo approssimativo si può affermare che è meglio perdere 10 grammi di benzina piuttosto che conservare 1 grammo di gas combusto.

IL RENDIMENTO.
Per il ciclo teorico (figura A) si ottiene:
1) ciò che si mette a disposizione: il motore ha a sua disposizione l'energia chimica potenziale per effettuare l'espansione 3 - 4; il lavoro prodotto è quindi:

L_3-4 = AREA v₂ - 3 - 4 - v₁

2) ciò che si spende: affinché avvenga l'espansione occorre effettuare la compressione spendendo il lavoro:

L_1-2 = AREA v₁ - 1 - 2 - v₂

3) ciò che si ottiene: è ovviamente ciò che si mette a disposizione meno ciò che si è speso e cioè:

L_ut = AREA 1 - 2 - 3 - 4

cioè l'area interna al ciclo (nella figura A in ocra).
4) il rendimento per il ciclo teorico è:

h_t = AREA 1 - 2 - 3 - 4 / AREA v₂ - 3 - 4 - v₁ = ( AREA v₂ - 3 - 4 - v₁ - AREA v₁ - 1 - 2 - v₂ ) / AREA v₂ - 3 - 4 - v₁ =
= 1 - AREA v₁ - 1 - 2 - v₂ / AREA v₂ - 3 - 4 - v₁

Tenendo conto delle formule delle trasformazioni, del tipo di gas (supponendo che aria e benzina formino un gas perfetto) e della geometria del cilindro si ottiene:

h_t = 1 - 1 / r^k-1

nella quale k = c_p / c_v = 1,41 è l'esponente delle adiabatiche e r = v₂ / v₁ è il rapporto di compressione (solitamente non superiore a 10 / 1).
Per il ciclo reale (figura B) si ottiene:
5) all'area di lavoro utile si deve sommare l'area in blu nella figura C.
6) all'area di lavoro speso si devono sommare le aree in rosso nella figura C.
7) il rendimento del ciclo reale è quindi molto inferiore a quello del ciclo teorico avendo una minore area positiva e una maggiore area negativa.

NOTA BENE.

Il ciclo reale non è il ciclo di funzionamento: esso è ancora un ciclo di progetto, è ancora un ciclo di carta. Quando il motore è costruito e funzionante, con appositi sensori si costruisce il "ciclo indicato" che è quello "vero" e sul quale si agisce con successive, anche piccole, correzioni operate sui componenti del motore. Le differenze fra i motori in commercio dipendono proprio da tali correzioni.

1) Negli ultimi anni si sta studiando proprio una simile soluzione: un gas speciale è contenuto in due serbatoi, uno ad alta temperatura e pressione (sorgente calda) e l'altro a bassa temperatura e pressione (sorgente fredda). Il ciclo si compie facendo entrare il gas dalla sorgente calda nel segmento 2 - 3 e facendolo uscire nel segmento 4 - 1 verso la sorgente fredda. Le più importanti difficoltà riguardano gli ingombri dei serbatoi e degli apparati che consentono di mantenerli alla temperatura e pressione volute.