SCIENZE - MEZZI DI TRASPORTO - IL MOTORE A SCOPPIO

PRESENTAZIONE

I motori a vapore ideati da Newcomen e Watt sono macchine termiche, cioè trasformano il calore prodotto dalla combustione di carbone, legna e derivati del petrolio in energia meccanica; in particolare sono detti motori a combustione esterna poiché il carburante viene utilizzato per la produzione di vapore, che a sua volta è impiegato per muovere il motore; nei motori a combustione interna, al contrario, il carburante viene direttamente utilizzato senza produzione intermedia di vapore; le perdite di energia dovute a dispersioni termiche sono così drasticamente ridotte. Per questo motivo, un motore a combustione interna è più efficiente di uno a combustione esterna. Il primo motore a combustione interna fu realizzato da Cecil nel 1820: si trattava di un motore di Newcomen, solo che, al posto del vapore, nel cilindro veniva introdotta una miscela di idrogeno e aria che veniva fatta esplodere: l'idrogeno e l'ossigeno si combinavano per formare acqua, il volume si contraeva per la sottrazione di due gas e il pistone scendeva. Nel 1856 gli italiani Barsanti e Matteucci trovarono una migliore applicazione dell'idea di Cecil. Sostituirono all'idrogeno un gas illuminante (metano) e costruirono il motore gravi-atmosferico; il suo rendimento, che raggiungeva il 12%, era di tutto rispetto. Purtroppo, la morte del Barsanti e una grave infermità del Matteucci fecero cadere nel dimenticatoio il motore gravi-atmosferico. Il primo motore a combustione interna ad avere successo venne realizzato dal francese Lenoir nel 1860. In realtà, il motore di Lenoir assomigliava moltissimo al motore di Watt; infatti la miscelazione con aria e la combustione del carburante avvenivano in una apposita camera vicino a un cilindro a doppio effetto. I gas caldi prodotti dalla combustione entravano nel cilindro, mentre un sistema di valvole simile al cassetto di distribuzione dei motori a vapore ne comandava lo scarico. Un difetto del motore Lenoir era rappresentato dall'eccessivo consumo di carburante e il suo rendimento era minore di quello ottenuto con il motore di Barsanti e Matteucci. Tra il 1870 e il 1880 vennero costruiti nuovi modelli di motori che soppiantarono quello di Lenoir.

Schema di motorino d'avviamento

Principio di funzionamento del motore a scoppio

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I MOTORI A DUE TEMPI

Il motore a due tempi nacque subito dopo il motore Otto ad opera dell'inglese Dugal Clerk. In pratica il pistone, mentre risale per comprimere la miscela, ne richiama altra nel carter; quando scende per effetto dei vapori spinge contemporaneamente la miscela precedentemente richiamata nel cilindro e così via. I motori a due tempi sono meno efficienti dei motori Otto, tuttavia sono estremamente più semplici dal punto di vista meccanico e quindi molto più leggeri: non ci sono valvole ma dei fori, chiamati luci del cilindro, che il pistone apre e chiude nella sua corsa avanti e indietro; inoltre si può evitare di costruire un impianto di lubrificazione separato poiché la miscela combustibile, in cui è sempre presente una percentuale di olio, entra in diretto contatto con gli organi meccanici in movimento.

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IL MOTORE A 4 TEMPI

Nel 1861 il francese Alphonse Beau de Rochas lasciò delle note in cui descriveva il ciclo termico dei motori a 4 tempi.

1 - Fase di aspirazione. La corsa discendente del pistone aspira nel cilindro la miscela di carburante ed aria;

2 - Fase di compressione. Il pistone risale e comprime la miscela detonante.

3 - Fase di combustione. Quando il gas è compresso del tutto viene innescata la combustione; i gas caldi si espandono e spingono verso il basso il pistone.

4 - Fase di scarico. Il pistone risale ed espelle i gas residui dell'avvenuta combustione. A questo punto il ciclo può ricominciare nuovamente.

Pare che il primo a realizzare i meccanismi necessari per la costruzione di un motore a 4 tempi fosse stato un orologiaio tedesco di nome Reithman, nel 1872; ma chi intraprese per primo la costruzione su scala industriale dei motori basati sull'idea del Rochas fu un altro tedesco, l'ingegnere Nikolaus August Otto. Il motore Otto utilizzava come carburante la benzina, un derivato della distillazione frazionata del petrolio fino a quel momento inutilizzabile ed indesiderato a causa della sua alta infiammabilità. Tutti i moderni motori a 4 tempi sono identici nel concetto ai primi motori Otto. Nel motore Otto il pistone, che scorre nel cilindro, è collegato tramite una biella ad un albero a gomiti; il cilindro è chiuso dalla parte della testa. Nella testa sono praticati due fori, chiusi ed aperti a comando dalle valvole di carico e di scarico azionate a loro volta da un albero a camme oppure da un sistema di aste e bilanceri, comunque collegati con l'albero motore; da un terzo foro spuntano i due elettrodi della candela tra i quali deve scoccare la scintilla che provocherà la combustione del carburante. Altre parti essenziali per il funzionamento del motore sono il carburatore, dispositivo che miscela in parti esatte la benzina e l'aria; la bobina e lo spinterogeno, parti elettriche che servono ad elevare la tensione della batteria e a far scoccare la scintilla al momento giusto. Nella fase di aspirazione si apre la valvola di carico ed entra la miscela aria-benzina; durante la compressione tutte due le valvole sono chiuse; nella terza fase scocca la scintilla e la miscela brucia; infine si apre la valvola di scarico fino a che tutti i fumi della combustione sono usciti, quindi si richiude.

Le fasi del motore a quattro tempi

Spaccato di una candela per motore a scoppio

IL MOTORE DIESEL

Ad un altro tedesco, l'ingegnere Rudolph Diesel, si deve l'invenzione di un motore ad altissimo rendimento che porta il nome del suo ideatore. Nel progettarlo Diesel pensava di riuscire a farlo funzionare secondo il Ciclo di Carnot, ma le difficoltà tecniche erano insormontabili. Nacque allora il Ciclo diesel: il pistone aspira aria e quindi la comprime fortemente. Quando si comprime un gas, non aumenta solo la pressione ma anche la sua temperatura; quando nel cilindro del motore diesel l'aria raggiunge le 35 atm di pressione e i 500°C di temperatura, viene iniettato il carburante che inizia a bruciare. I gas della combustione si espandono e spingono il cilindro in basso; nella risalita si apre la valvola di scarico e i gas vengono espulsi dal cilindro. I primi modelli di questo motore utilizzavano come carburante della polvere di carbone finissima; in seguito si preferirono idrocarburi leggeri come la nafta.

Schema del motore Diesel