Motore a scoppio: come funziona

Il propulsore della macchina è il cuore del movimento stesso. Vedremo come si ottiene l’energia che muove l’automobile, quali sono le forze in gioco, com’è nato il motore a combustione interna, dove e come funziona nel dettaglio, esaminando le componenti.

Una macchina, quanti motori?

Il passaggio dal trasporto animale, con i cavalli che tirano una carrozza, al trasporto a macchina si deve alla capacità di sfruttare una forza motrice diversa, in altre parole, un motore. È curioso che, dopo tanti anni, ancora ci si riferisca alla potenza dei motori usando i “cavalli vapore”, perché uno dei primi motori “meccanici” fu quello a vapore, alimentato dal carbone.

Ma vediamo ora il protagonista del panorama dei motori, il motore a scoppio, una definizione che implica l’esplosione di una qualche miscela di carburante, più o meno mescolato ad aria per raggiungere la proporzione ideale, quella che produce la massima potenza in rapporto alla quantità di carburante consumato, il cosiddetto rapporto stechiometrico.

Ma ci sono tanti tipi di motore a scoppio (o non a scoppio), come i motori alimentati a benzina o a diesel, oppure a metano, o a GPL, ma anche i motori elettrici, sempre più diffusi, anche grazie alle varie auto ibride. Nel motore a scoppio, l’energia prodotta dall’esplosione della miscela viene trasformata in energia cinetica, per far muovere la macchina.

Come si compone e come funziona un propulsore termico

In un motore a scoppio, le componenti meccaniche ed elettriche sono diverse. A partire dalla centralina che regola il funzionamento delle candele per l’accensione del carburante, per passare poi al pistone, che viene letteralmente spinto dall’esplosione.

Il movimento del pistone nel cilindro viene trasmesso alla biella motore, che si alza e si abbassa, ma con un movimento diverso, trasformando il moto rettilineo (avanti e indietro) del pistone in un movimento rotatorio, grazie alla conformazione a manovella del suo attacco all’albero motore.

Infine, il movimento passa a un albero motore che lo trasmette ai vari organi della trasmissione, il cambio, i differenziali, fino alle ruote. Per capire meglio come funziona un motore a scoppio si può pensare a una serie di manovelle azionate da bracci meccanici spinti continuamente verso il basso in modo alternato. Ogni spinta (scoppio) contribuisce a riportare in alto l’altra metà dei cilindri (o comunque a far girare l’albero, dando inerzia alle altre componenti).

Un po’ di storia

Una volta visto che cos’è il motore a scoppio, vediamo ora com’è nato. La storia della macchina è sempre legata a innovazioni tecniche, spesso di matrice tedesca. Anche in questo caso, tra i primi sviluppatori di automobili ci sono i tedeschi Nikolaus Otto e Karl Benz (da cui la benzina), che fondarono nel 1886 la Benz Velociped.

Ma la vera risposta alla domanda chi inventò il motore a scoppio non è tedesca, ma italiana. Nel 1853, il 6 giugno, quando l’Italia ancora doveva nascere, Eugenio Barsanti e Felice Matteucci registrarono un progetto dettagliato di motore a scoppio. Allora non esisteva un ufficio brevetti, quindi lo depositarono presso l’Accademia dei Georgofili di Firenze, Granducato di Toscana.

In Toscana non tardò l’applicazione del motore a scoppio, l’invenzione fu seguita dalla costruzione di due battelli “Il veloce” per la navigazione sul lago di Como. Il primo modello aveva un motore da 20 cv, mentre il secondo aveva un motore da 8 cv ed ebbe più successo. Il motore venne appunto chiamato motore Barsanti-Matteucci.

Da allora, la nascita di varie case automobilistiche che hanno prodotto modelli basati sul motore a scoppio, la storia dell’industria di settore degli ultimi 150 anni e gli sviluppi moderni, con il progressivo allontanamento dai carburanti di origine fossile per una maggiore attenzione alla salvaguardia dell’ambiente.

Approfondimento del ciclo termico

In ogni motore a scoppio, il funzionamento del motore si può dividere in cicli e in tempi, nello specifico esistono motori a due tempi e motori a quattro tempi. Nei motori a due tempi, meno diffusi, le fasi di espansione del pistone nel cilindro corrispondono sempre a un giro di albero motore. L’ingresso della miscela nel cilindro avviene in un punto diverso rispetto alla parte della candela, così il movimento stesso del pistone regola l’alimentazione e lo sfogo degli scarichi.

Ma il motore auto più diffuso è senz’altro quello a quattro tempi. Vediamo di analizzarli. La prima fase è quella di carburazione o aspirazione, la formazione della miscela di aria e carburante nei motori a benzina (tranne nei motori a iniezione diretta), la generazione della miscela nel diesel, miscela che entra nel cilindro (o si forma nel cilindro).

La seconda fase di un motore a combustione interna è la fase di compressione. Il pistone risale grazie al movimento inerziale dell’albero motore. La miscela viene compressa per raggiungere i parametri ideali prima dell’accensione.

La terza fase prevede l’accensione della miscela. In un motore a scoppio a benzina, la miscela esplode per la formazione di una scintilla, grazie alle candele, che trasmettono una scarica di alta tensione (proveniente dalle bobine di accensione). Nel diesel, l’esplosione del carburante avviene per autoaccensione, grazie alla compressione ad alta temperatura.

Nella fase di scarico di un motore a scoppio dell’auto, i gasi prodotti dall’esplosione vengono smaltiti e indirizzati verso l’impianto di scarico della macchina. L’ingresso della miscela e l’uscita dei gas di scarico dai cilindri è regolato da valvole la cui apertura è coordinata con l’andamento dei quattro tempi, grazie a una centralina che riceve informazioni da vari sensori, tra cui il sensore albero motore.

Il calore, come smaltirlo?

L’esplosione del carburante crea notevoli energie, sia cinetiche che termiche. Il motore si scalda moltissimo e va tenuto a una temperatura operativa utile. Il motore fa fatica a funzionare a freddo, ma se si surriscalda si può guastare anche gravemente.

Ecco perché ogni veicolo dotato di motore a combustione interna è dotato anche di un sistema di raffreddamento, con l’utilizzo combinato di olio motore e del sistema di fluido di raffreddamento, radiatore e ventole. Va detto che la gran parte dell’energia prodotta dallo scoppio si traduce in calore, circa i tre quarti.

Questa ridotta efficacia, limitata dall’esigenza di contenere le temperature e le energie sprigionate, unita alla produzione di gas di scarico contenenti particelle tossiche, è uno dei motivi per cui il mercato si sta sempre più orientando verso la produzione di più veicoli elettrici. I propulsori elettrici sono progettati per eliminare ogni dispersione, recuperando anche l’energia prodotta dalle frenate.

Conclusione

Un motore a scoppio è un insieme complesso di sistemi e organi meccanici ed elettrici diversi. L’utilizzo efficace del carburante sprigiona forze notevoli, che si traducono in energia termica (calore) ed energia meccanica (movimento). Un sistema complesso e altamente sviluppato nel tempo, un brevetto italiano che ha conquistato il mondo.