Il motore a combustione interna, comunemente chiamato "motore a scoppio", rappresenta un meccanismo fondamentale che converte l'energia chimica dei carburanti in energia meccanica. Questa innovazione tecnologica ha rivoluzionato l'industria, i trasporti e la società, spingendoci nell'era moderna e permettendo una crescita economica senza precedenti e una maggiore mobilità. Nonostante l'avanzamento delle tecnologie elettriche e ibride, il motore a scoppio continua a essere una componente cruciale del panorama energetico globale. La ricerca, infatti, si concentra ancora su miglioramenti nell'efficienza del carburante, nella riduzione delle emissioni e nell'adattamento a combustibili alternativi.
L'Alba del Motore a Combustione Interna: Un Percorso Storico
L'idea del motore a combustione interna risale addirittura al XVII secolo, quando si pensò di impiegare la polvere nera come sostanza capace, deflagrando, di produrre una depressione in una camera chiusa per ricavare un'aspirazione di acqua. I primi tentativi di muovere un pistone grazie allo scoppio di piccole quantità di polvere da sparo risalgono alla fine del 1600. Tuttavia, l'impossibilità di utilizzare il lavoro di esplosione per ottenere un lavoro regolare e continuo non permise di giungere ad applicazioni pratiche in quel periodo.
Il primo motore termico funzionante è comunemente attribuito ad Erone e risale al 130 a.C. È impossibile identificare, in una singola persona, l'inventore del motore a combustione interna; numerosi furono i tentativi e le soluzioni tecniche provate nel corso dei secoli.
Oltre un secolo dopo i primi esperimenti con la polvere da sparo, si passò all'impiego di carburanti gassosi: gas illuminante, idrogeno, gassogeno, nafta vaporizzata e, finalmente, benzina. Nel 1807, l'ingegnere svizzero François Isaac de Rivaz costruì un veicolo azionato da un motore a combustione interna alimentato a idrogeno. Il suo motore, progenitore di una stirpe di realizzazioni abbastanza simili fra loro, era costituito da uno stantuffo libero di muoversi in un cilindro verticale. Le relazioni del De Rivaz riportano una velocità massima di circa 7 km/h, per un veicolo di circa 900 Kg di massa. Lo stantuffo aveva un alesaggio di circa 365 mm ed una corsa di 1500.
Il Contributo Italiano: Barsanti e Matteucci
Il concetto fondamentale di sfruttare l'energia di un'esplosione per produrre lavoro risale al XVII secolo, ad opera del fisico olandese Christiaan Huygens. Tuttavia, un contributo significativo alla realizzazione del primo vero motore a combustione interna viene dagli italiani Eugenio Barsanti (1821-1864) e Felice Matteucci (1808-1887).
Niccolò Barsanti, professore di meccanica e idraulica presso l'istituto Ximeniano di Firenze, iniziò gli studi sulla combustione a volume costante dei gas nel 1843. Insieme a Matteucci, condussero studi comuni sulla combustione dei gas a partire dal 1851. Il 5 giugno 1853, depositarono una memoria sigillata presso l'Accademia dei Georgofili per stabilire una priorità ufficiale. Nel 1854, essi realizzarono il progetto di un motore a stantuffo libero, simile, nei suoi elementi essenziali, a quello di De Rivaz. Ottennero il primo brevetto in Inghilterra il 13 maggio 1854, seguito da molti altri in diversi stati. Per cui si precisa che il primo motore a scoppio non fu inventato da Nikolaus Otto, ma dai due toscani che per la prima volta lo realizzarono in Italia.
Il funzionamento del loro motore, come illustrato nel primo brevetto italiano del 30 dicembre 1857, prevedeva che lo stantuffo fosse lanciato dall'energia della combustione verso l'alto e arrestasse la sua corsa quando la forza d'inerzia era equilibrata dalla pressione interna (inferiore all'atmosferica) e dalla forza peso. Da questo istante, iniziava la corsa di ritorno sotto l'azione della depressione e della forza peso. L'accensione, di tipo elettrico, avveniva per lo scintillio provocato da un elettrodo a perno. Una versione perfezionata del motore fu realizzata in seguito, con la collaborazione di Giovanni Battista Babacci e brevettata nel 1858. La prima applicazione del motore a scoppio ideato da Barsanti e Matteucci era destinata al battello "Il veloce" della Compagnia di navigazione Lariana di Como.
I Primi Motori Commerciali: Lenoir e Otto
Nel 1860, l'ingegnere belga Étienne Lenoir brevettò e costruì un motore a combustione interna a due tempi funzionante, alimentato a gas illuminante. Il suo propulsore era relativamente silenzioso e meno ingombrante rispetto ai motori a vapore dell'epoca, e fu utilizzato in applicazioni industriali leggere e persino per propellere la prima auto. Il motore di Lenoir, simile a quello precedente di Barsanti e Matteucci, aspirava una miscela aria-gas illuminante per una parte della corsa, accendendola per mezzo di una scintilla ad alta temperatura. Lo scarico dei gas combusti avveniva nella corsa di ritorno del pistone.
Il nome più strettamente associato all'invenzione del motore a scoppio, così come lo conosciamo oggi, è quello dell'ingegnere tedesco Nikolaus August Otto. L'invenzione del motore a scoppio, con la struttura che a grandi linee ancora oggi è mantenuta, è attribuita a Nikolaus August Otto (1832-1891) e datata nel 1876 o nel 1877. In realtà molti altri tecnici nei decenni precedenti contribuirono a rendere possibile l'invenzione. Nel 1876, Otto perfezionò il concetto sviluppando il motore a quattro tempi, noto anche come ciclo Otto. Il suo motore a quattro tempi inizialmente era alimentato dal gas di carbone. Intorno al 1890 erano presenti nel mondo oltre 30.000 motori "Otto", ancora alimentati a gas.
Il problema che interessava maggiormente Otto era il miglioramento della combustione del motore Lenoir, allo scopo di poterla rendere più graduale e controllabile. Nel tempo in cui provava il suo primo prototipo, ebbe l'occasione di incontrare Eugen Langen (1833-1895), uomo di personalità dinamica che aveva già conseguito alcuni successi in campo industriale. Insieme fondarono nel 1864 la Otto & Cie. (oggi diventata Kloeckner-Humboldt-Deutz A.G.) per lo sfruttamento industriale del motore a stantuffi liberi.
Nel 1875 F. Forest e nel 1879 D. Clerk (1854-1932) studiarono e costruirono modelli di motori funzionanti secondo il ciclo a due tempi. Nel 1892 il tedesco R. Diesel brevettò il motore a combustione interna ad accensione per compressione (motore Diesel).
La Rivoluzione Industriale e il Motore a Scoppio
La seconda rivoluzione industriale (dal 1870 al 1914) fu caratterizzata da rapidi progressi tecnologici, dall'introduzione di nuove fonti energetiche (petrolio ed elettricità), e dall'emergere di nuove industrie. L'efficienza del motore a scoppio era legata all'uso di combustibili liquidi derivati dal petrolio, come la benzina e il gasolio.
L'applicazione dirompente del motore a scoppio fu nel campo dei trasporti. Karl Benz e Gottlieb Daimler, lavorando indipendentemente alla fine del XIX secolo, utilizzarono motori a benzina leggeri e potenti per costruire le prime auto moderne. Questo diede il via all'industria che avrebbe poi democratizzato i viaggi e il commercio. Nelle fabbriche, il motore a scoppio offriva un'alternativa più flessibile e localizzata ai grandi e ingombranti motori a vapore. L'invenzione della macchina a vapore e, più tardi, del motore a scoppio, non sarebbero state possibili senza il precedente sviluppo delle tecniche per la lavorazione dei metalli e di altre tecniche.
Funzionamento del motore a 4 tempi (Motore Benzina)
Come Funziona il Motore a Scoppio: Il Ciclo a Quattro Tempi
Un motore a combustione interna, o "a scoppio", è un meccanismo che converte l'energia chimica dei carburanti in energia meccanica. Per capire bene come funziona, prendiamo come esempio il motore a quattro tempi, che va a benzina: è il tipo di motore più comune, rimasto invariato nel funzionamento dall'anno della sua invenzione, cioè nel 1876.
Il ciclo di funzionamento di un motore a scoppio è diviso in quattro fasi: aspirazione, compressione, combustione ed espulsione. Ogni fase è gestita da componenti specifiche del motore. Lo schema base di un motore a scoppio è composto dal blocco motore, che è un pezzo unico fatto in ghisa o in alluminio, dove ci sono i cilindri, al cui interno scorrono i pistoni. Il lavoro utile di un motore a scoppio è ottenuto utilizzando la spinta esercitata dai prodotti della combustione (benzina, gasolio, metano, gpl) su uno stantuffo (o pistone) che si muove di moto alternativo e a perfetta tenuta in un cilindro e che trasmette il movimento a un albero motore (albero a gomiti). La distanza fra le due posizioni estreme dello stantuffo si dice corsa. Il volume generato dallo stantuffo nella sua corsa si chiama cilindrata. Il diametro interno del cilindro è chiamato anche alesaggio. L'intero ciclo di funzionamento può essere realizzato in uno o due giri dell'albero motore, cioè in due o quattro corse dello stantuffo.
Le Fasi del Motore a Quattro Tempi
Aspirazione (o ammissione): Quando si gira la chiave di accensione dell'auto, c'è un motorino elettrico che avvia la prima fase del ciclo di funzionamento, ovvero l'aspirazione. Durante questa fase, il pistone si sposta dal punto più alto del cilindro, che si chiama punto morto superiore (PMS), al punto più basso, chiamato punto morto inferiore (PMI), creando uno spazio vuoto all'interno del cilindro. In questo momento si apre la valvola di aspirazione, un tappo che si apre e si chiude per rendere ermetico o meno il cilindro, consentendo alla miscela aria-carburante (o solo aria nei diesel) di entrare nel cilindro.
Compressione: La seconda fase è la compressione. In questa fase, il pistone si sposta dal punto morto inferiore al punto morto superiore, comprimendo il combustibile e l'aria all'interno del cilindro, per aumentare la potenza esplosiva del carburante. In questa fase la valvola di aspirazione si chiude, rendendo ermetico il cilindro.
Combustione (o scoppio/espansione): La terza fase del ciclo è la combustione. Al raggiungimento del punto morto superiore, una candela d'accensione provoca una scintilla (nei motori ad accensione comandata) che fa esplodere il combustibile all'interno del cilindro. L'esplosione risultante spinge il pistone verso il basso, generando la forza motrice e producendo energia meccanica. La forza esplosiva della combustione spinge verso il basso il pistone, generando energia meccanica. La conversione avviene nella camera di combustione, dove i gas combusti generano l'alta pressione e l'aumento di volume che inducono lo spostamento dei pistoni, i quali, tramite collegamenti meccanici vari, fanno ruotare l'albero motore.
Espulsione (o scarico): L'ultima fase del ciclo è l'espulsione. La valvola di scarico si apre e il pistone si sposta dal punto morto inferiore al punto morto superiore, espellendo i gas di scarico bruciati dal cilindro attraverso la seconda valvola che fino a questo momento era chiusa. Questo meccanismo è identico in tutti i motori, anche quelli più obsoleti. Risalendo, il pistone spinge infine i gas fuori dalla camera attraverso le valvole di scarico, prima che queste si chiudano e il ciclo ricominci con una nuova fase di aspirazione.
Ciò che è cambiato nel corso degli anni sono le componenti del motore: lo scopo è rendere più efficiente la combustione del carburante e permettere così al motore di consumare sempre meno benzina; questo permette anche di utilizzare più energia chimica, messa a disposizione dal combustibile. La differenza principale tra le auto più recenti e quelle più vecchie è infatti che hanno potenze più alte e consumi minori.
Componenti Fondamentali del Motore a Scoppio
Oltre al blocco motore e ai cilindri, ci sono altre componenti fondamentali del motore.
- Pistoni: All'interno dei cilindri ci sono i pistoni, delle parti mobili che si muovono appunto dentro ai cilindri.
- Albero motore: I cilindri sono collegati all'albero motore, che trasforma il movimento alternativo del pistone in energia meccanica rotativa.
- Testata: Sulla parte superiore c'è la testata, dove sono inserite le valvole, che controllano l'aspirazione e lo scarico dei gas.
- Candele d'accensione: Sono collocate nella testata del cilindro e creano la scintilla che accende il combustibile nei motori ad accensione comandata.
- Cinghie o catene di distribuzione: Per garantire che tutto funzioni in perfetta sincronia, i motori sono dotati di cinghie o catene di distribuzione, che collegano il movimento dei pistoni agli alberi a camme.
- Alberi a camme: Sono il dispositivo che controlla l'apertura e la chiusura delle valvole, regolando l'aspirazione e lo scarico dei gas, mantenendo tutto il sistema sincronizzato.
- Biella: Il pistone agisce sulla biella, che a sua volta mette in rotazione l'albero motore.
- Carburatore/Sistema di iniezione: Il carburatore (o più modernamente il sistema di iniezione) è responsabile della miscelazione dell'aria con il combustibile in proporzioni corrette. Il carburatore di Maybach, ad esempio, era costituito nello stesso serbatoio del carburante, di forma cilindrica ad asse verticale. Il motore, mediante la depressione generata dal movimento dello stantuffo, determinava il gorgogliamento dell'aria, aspirata attraverso un foro, che si saturava di vapore di benzina.
- Marmitta catalitica: Le esigenze di ridurre l'emissione di sostanze inquinanti e i consumi hanno portato all'emanazione di normative da parte dell'Unione Europea, per cui, per esempio, ciascun tipo di motore è stato dotato di un'apposita marmitta, detta catalitica, in grado di ridurre gli incombusti nei motori ad accensione comandata e abbattere la fuliggine nei motori diesel.
Tipologie di Motori a Scoppio: Due Tempi vs. Quattro Tempi
Come abbiamo detto, il motore a quattro tempi è uno dei più comuni, ma c'è un altro tipo di motore a scoppio: è il motore a due tempi, che ha un funzionamento più semplice. La differenza sostanziale è il modo in cui l'energia viene generata.
Motore a Due Tempi
Invece delle quattro fasi del motore a quattro tempi, nel motore a due tempi ne avvengono solo due per ogni ciclo:
- Compressione e aspirazione/scarico: Il pistone si muove verso l'alto, comprimendo la miscela aria-carburante nella camera di combustione. Durante questo movimento, la nuova miscela aria-carburante viene aspirata nel carter. Contemporaneamente, i gas di scarico vengono espulsi attraverso una luce di scarico che viene scoperta dal pistone.
- Scoppio ed espansione/pre-compressione: Una volta raggiunta la massima compressione, la candela accende la miscela. L'esplosione spinge il pistone verso il basso. Durante questa fase, il pistone pre-comprime la nuova miscela aria-carburante nel carter, preparandola per il trasferimento al cilindro nel ciclo successivo. Questo avviene attraverso una luce di travaso che viene scoperta dal pistone durante la sua discesa.
Il motore a due tempi viene usato per esempio nei motorini, nei tagliaerba, nelle motoseghe o nei generatori di corrente, grazie alla sua semplicità costruttiva e all'elevata potenza specifica per unità di peso.
Il Numero dei Cilindri e la Cilindrata
Esistono vari tipi di motori a scoppio a seconda del numero di cilindri:
- Monocilindrico: A un cilindro; si riconosce perché si riescono a sentire i singoli scoppi del motore. Gli scooter di oggi sono quasi tutti monocilindrici.
- Bicilindrico: Due cilindri, come le Harley-Davidson o le Ducati.
- A tre o a quattro cilindri: Come le automobili che usiamo nella vita di tutti i giorni.
- Multicilindrici: Le cilindrate non si fermano qui, ce ne sono anche a sei cilindri, come le macchine della Formula 1 (che montano anche un motore elettrico ibrido). Poi ci sono anche motori da otto, dieci o dodici cilindri, come la Lamborghini Aventador.
Spesso si sente dire "questo è un motore da 2 litri, o mille e sei a benzina e così via". Ma cosa vuol dire? Si riferisce alla cilindrata, che è il volume generato dallo stantuffo nella sua corsa, ovvero il volume totale spostato dai pistoni in tutti i cilindri del motore.
L'Impatto Ambientale e il Futuro del Motore a Scoppio
I motori a combustione interna sono stati un'importante innovazione tecnologica che ha permesso una crescita economica senza precedenti e una maggiore mobilità. Tuttavia, la loro impronta ambientale richiede una riflessione sulle loro applicazioni e un'attenzione particolare allo sviluppo di tecnologie più pulite e sostenibili.
La ricerca continua a concentrarsi su miglioramenti nell'efficienza del carburante, nella riduzione delle emissioni e nell'adattamento a combustibili alternativi. Infatti negli ultimi anni i motori ibridi, che sono la combinazione di un motore a combustione interna con un motore elettrico, migliorano l'efficienza della combustione riuscendo a ridurre le emissioni.
Nonostante la spinta di certi gruppi di potere a favore delle elettriche BEV, continuano ad andare fortissimo le ibride, specialmente le Toyota, un mix fra motore termico (a scoppio, a combustione) e batteria. Analogamente, piacciono sempre di più le PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicle), su cui i cinesi (specie BYD) puntano per invadere l'Europa: auto termiche con una grande batteria ricaricabile.
Il futuro del motore a scoppio è legato anche al ruolo che avranno i biocarburanti, come etanolo e biodiesel, e il loro impatto sulla riduzione delle emissioni di CO2. Allo stesso modo, i carburanti sintetici (e-fuels), prodotti da CO2 catturata e idrogeno verde, sono considerati quasi al 100% carbon neutral. L'obiettivo è trovare un equilibrio tra le esigenze di un mondo in continuo movimento e la necessità di proteggere il nostro ambiente per le generazioni future.