La storia del motore a scoppio

Il motore a scoppio fu un’importante invenzione che cambiò per sempre la storia dei trasporti dando ad essa un impulso totalmente positivo.

L'invenzione e la storia

Nel 1854 Eugenio Borsanti e il fisico Felice Matteucci, brevettarono e costruirono il primo motore a combustione interna della storia. Già dal 1851 i due studiosi avevano dato il via ad un intenso rapporto di amicizia e collaborazione professionale che sfociò poi in questa importante scoperta.
I primi studi vennero fatti con l’utilizzo di un semplice cilindro di ghisa, munito di stantuffo e di valvole; grazie a questo strumento i due studiosi ebbero la possibilità di capire quali fossero gli effetti del miscuglio di ossigeno ed idrogeno, aria ed idrogeno e poi  di aria e gas luce. Tutti questi esperimenti furono fondamentali per riuscire a comprendere quale fosse il comportamento dello stantuffo ed osservare la problematica dell’espulsione dei gas di scarico prodotti dalla combustiione.
La miscela interna veniva innescata o con una scintilla elettrica o tramite una piccola fiammetta di gas; quest’ultima soluzione venne però ben presto abbandonata. Da questi esperimenti è stato dedotto che la forza, prodotta da una rapida combustione, provocava allo stantuffo una forte spinta, pure non consentendogli di arrivare a fine corsa. I due studiosi infatti si accorsero che non appena lo stantuffo arrivava a fine corsa, esso ritornava velocemente indietro. Non fu difficile notare che questo avveniva a causa della condensazione dei gas che producevano un vuoto; era la pressione atmosferica dunque a far tornare indietro il pistone.
C’è da sottolineare che questo primo modello rudimentale di motore era di tipo verticale ed  a stantuffo libero, dunque lo scoppio avveniva dentro la camera di combustione tramite una miscela di aria e gas illuminante, che dirigeva il pistone in aria.

Cos’è un motore a scoppio?

Quello a scoppio è sostanzialmente un motore endotermico; il funzionamento di questo motore nasce dalla conversione dell’energia chimica, dentro una miscela formata da combustibile ed aria (benzina o diesel) in energia meccanica. I motori esotermici invece sono detti così perché la combustione avviene al di fuori del fluido attivo che genera il movimento, come nella macchina a vapore.
In un motore a scoppio invece, e più precisamente dentro la camera di combustione, verrà generata un’alta pressione provocata dai gas combusti, i quali andranno a formare un aumento di volume, spingendo il pistone verso il basso;  sarà dunque il movimento del pistone a generare la rotazione dell’albero motore. Sono diversi i combustibili utilizzati nei motori a scoppio, e tra questi la benzina, il gasolio o altri derivati del petrolio, e, a seconda del tipo di combustibile impiegato, cambieranno di conseguenza anche le caratteristiche del motore ed il suo impiego.

Com’è fatto un motore a scoppio?

Un motore a scoppio è formato da diversi componenti ed il suo ciclo di funzionamento  è diviso in quattro tempi: aspirazione, compressione, combustione ed espulsione. Ogni fase è gestita da componenti specifiche del motore.

1 – Aspirazione
Quando giriamo la chiave di accensione dell’auto, c’è un motorino elettrico che avvia la prima fase del ciclo di funzionamento, qual’è appunto l'aspirazione. Durante questa fase, il pistone si sposta dal punto più alto del cilindro, il punto morto superiore, al punto più basso, chiamato punto morto inferiore, 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. Quando questa si apre, la miscela aria-benzina viene aspirata all'interno del cilindro, che può essere introdotta o tramite un carburatore, oppure tramite un iniettore elettronico, che nebulizza il carburante direttamente nella camera di combustione.

2 - 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.

3 - Combustione
La terza fase del ciclo è la combustione. In questa fase, la candela d'accensione provoca una scintilla che fa esplodere il combustibile all'interno del cilindro, mentre la forza esplosiva della combustione spinge verso il basso il pistone, generando energia meccanica.

4 - Espulsione
L'ultima fase del ciclo è l'espulsione. Il pistone si sposta dal punto morto inferiore al punto morto superiore, espellendo i gas di scarico attraverso la seconda valvola che fino a questo momento era chiusa. Subito dopo la valvola di aspirazione si riapre e il ciclo ricomincia.

Nei motori a scoppio esistono diversi tipi di cilindrate: monocilindrico, cioè ad un cilindro: si riconosce perché si riescono a sentire i singoli scoppi del motore.
Bicilindrico, due cilindri, come ad esempio le Harley-Davidson o le Ducati.
A tre o a quattro cilindri, come le automobili che usiamo nella vita di tutti i giorni.
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. Invece delle quattro fasi del motore a quattro tempi, qui ne avvengono solo due per ogni ciclo: aspirazione/compressione ed espansione/scarico. Viene usato per esempio nei motorini, i tagliaerba, le motoseghe o generatori di corrente.

I primi modelli in circolazione

Come già detto, il primo modello di motore a scoppio fu realizzato da Eugenio Barsanti e Felice Matteucci. Nel 1860 invece, il francese Lenoir riuscì a costruire il primo motore a combustione interna, al quale seguì una forte produzione industriale. Si trattava di un motore denominato “a doppio effetto”, cioè con una particolare distribuzione a cassetto. All’interno la miscela era costituita da aria e gas illuminante, che veniva aspirata dal pistone all’interno della camera di combustione.
Questo avveniva per circa metà corsa; in seguito una scintilla elettrica si accendeva, andando ad incendiare il combustibile, che a sua volta andava a spingere lo stantuffo per la seconda metà del percorso; in questo modo veniva compiuto un giro utile. Il rendimento di questo motore era del 4 per cento, e per questo motivo la diffusione di questo motore fu particolarmente importante.
Nel 1886 poi, i tedeschi E. Langen e A. Otto, progetteranno e costruiranno un motore verticale a stantuffo libero, decisamente simile a quello di Barsanti e Matteucci; tuttavia il motore dei tedeschi era leggermente differente, per via di alcuni accessori. In particolare lo speciale innesto tra l’albero motore e il rocchetto, andava a controllare il movimento dello stantuffo.