Motore a combustione interna

Un motore a combustione interna brucia il carburante dentro un cilindro chiuso; il gas caldo spinge un pistone che fa girare un albero a gomiti. Il motore a gas a quattro tempi di Nicolaus Otto, del 1876, fissò lo schema che segue ancora oggi la maggior parte dei motori di automobili, barche e gruppi elettrogeni.

Che cos’è

Un motore a combustione interna produce il calore all’interno della macchina stessa. La macchina a vapore brucia il combustibile sotto una caldaia separata e manda il vapore al cilindro. Qui invece una piccola carica di aria e carburante brucia nel cilindro, e il gas prodotto spinge direttamente su un pistone.

Il motore della tavola è un monocilindrico verticale come quelli costruiti negli anni 1880 e 1890: un cilindro di ghisa con alette di raffreddamento, un pistone che vi scorre dentro, un albero a gomiti sotto e un pesante volano che porta avanti la rotazione tra uno scoppio e l’altro. I motori d’automobile di oggi hanno più cilindri e leghe più leggere, ma trasformano ancora la spinta su un pistone in rotazione tramite una biella e un albero a gomiti.

Come funziona

Il pistone è un tappo ben aderente che sale e scende nel cilindro. Una biella lo collega a un perno di manovella dell’albero a gomiti, così il moto alternato del pistone diventa rotazione, come le ginocchia di un ciclista fanno girare i pedali.

Anelli elastici alloggiati in scanalature attorno al pistone lo rendono stagno contro la parete del cilindro.

La maggior parte dei motori segue il ciclo a quattro tempi che Otto rese utilizzabile. In un motore ad accensione comandata come quello disegnato qui, funziona così. Nel primo tempo il pistone scende con la valvola di aspirazione aperta e aspira una miscela di aria e carburante. Nel secondo entrambe le valvole sono chiuse e il pistone risale, comprimendo la miscela in un piccolo spazio in cima al cilindro. Vicino al punto più alto una scintilla la accende (nei primi motori era una fiamma o un tubetto incandescente). Il gas si riscalda molto in fretta e spinge il pistone verso il basso: questo terzo tempo è l’unico che produce lavoro. Nel quarto si apre la valvola di scarico e il pistone, risalendo, espelle i gas combusti.

L’albero a gomiti compie due giri per ogni fase utile, e il volano accumula energia sufficiente a superare le altre tre. Un albero a camme che gira a metà velocità dell’albero a gomiti apre ogni valvola al momento giusto.

Fu la compressione a dare il vantaggio al motore di Otto. Una miscela compressa prima di bruciare libera il suo calore a una pressione più alta, e una parte maggiore di quel calore diventa lavoro. Negli anni Novanta dell’Ottocento Rudolf Diesel spinse l’idea più in là: comprimeva soltanto aria finché diventava abbastanza calda da accendere il carburante iniettato, senza alcuna scintilla.

Come costruirlo

Un motore funzionante è un lavoro di precisione. Servono una fonderia, un tornio e un’alesatrice, strumenti di misura al centesimo di millimetro e un carburante affidabile. Quanto segue descrive come si fabbricavano storicamente i pezzi; non è un progetto costruttivo.

Fondere il cilindro e il basamento. I primi costruttori fondevano cilindro e base in ghisa grigia, facile da lavorare e resistente all’usura. Poi il cilindro veniva alesato perfettamente tondo e diritto. La camicia d’acqua o le alette facevano parte dello stesso getto.

Fare il pistone e le fasce. Il pistone, di ghisa e più tardi di alluminio, era tornito un po’ più piccolo dell’alesaggio. Anelli tagliati di ghisa elastica stanno in scanalature intorno a esso e premono verso l’esterno contro la parete, così il gas non passa.

Forgiare l’albero a gomiti e la biella. Sono i pezzi più sollecitati. Si forgiavano in acciaio, poi si tornivano e si montavano su cuscinetti di bronzo o metallo bianco.

Mettere in fase valvole e accensione. Le camme, e più tardi il magnete o la bobina che produce la scintilla, devono agire nel punto giusto del ciclo. Un errore fa funzionare male il motore o provoca un contraccolpo.

Alimentarlo e raffreddarlo. I motori di Otto andavano a gas illuminante. I motori a benzina richiesero un carburatore per dosare aria e carburante. Ogni motore va raffreddato ad acqua o ad aria e lubrificato con olio, perché le parti mobili non grippino.

Sicurezza. Il carburante e i suoi vapori prendono fuoco facilmente e possono esplodere in un ambiente chiuso. I gas di scarico contengono monossido di carbonio, che uccide senza odore né preavviso: non fate mai girare un motore al chiuso o in uno spazio parzialmente chiuso, nemmeno con porte e finestre aperte. Il volano, le cinghie e la manovella di avviamento possono rompere le ossa, e un contraccolpo durante l’avviamento a mano può causare lesioni gravi. Le parti calde e l’acqua di raffreddamento in pressione causano ustioni.

Storia ed evoluzione

Motori a gas fissi come questo azionavano le macchine delle officine prima che i veicoli a motore si diffondessero.

Da due secoli si cercava di muovere un pistone con un’esplosione. Christiaan Huygens fece esperimenti con la polvere da sparo negli anni Settanta del Seicento, e nel 1807 lo svizzero François Isaac de Rivaz brevettò un motore a idrogeno, che in seguito montò su un piccolo carro. Il primo motore venduto in quantità significative fu il motore a gas di Étienne Lenoir del 1860. Somigliava a una macchina a vapore a doppio effetto, ma bruciava la miscela senza comprimerla e sprecava gran parte del combustibile.

Nicolaus Otto, commesso viaggiatore di Colonia, nel 1861 si fece costruire da un meccanico della città, Michael Zons, un motore sul modello di quello di Lenoir per studiarlo. Con l’ingegnere Eugen Langen costruì un motore «atmosferico» che vinse una medaglia d’oro all’Esposizione universale di Parigi del 1867; ne furono costruiti diverse migliaia di esemplari. Nel 1876 Otto realizzò il suo motore a quattro tempi con compressione. Il francese Alphonse Beau de Rochas aveva descritto lo stesso ciclo in un opuscolo del 1862, e per questo nel 1886 il brevetto tedesco di Otto fu annullato, lasciando altre aziende libere di costruire il motore.

La vettura di Benz aveva un monocilindrico a quattro tempi di meno di un litro.

Gottlieb Daimler e Wilhelm Maybach, entrambi ex dipendenti della ditta di Otto, costruirono nel 1885 un motore piccolo e veloce che girava a diverse centinaia di giri al minuto. I motori diventarono così abbastanza leggeri per un veicolo. Lo stesso anno Carl Benz completò la sua vettura a tre ruote e ne depositò il brevetto nel gennaio 1886.

Nel 1897, ad Augusta, il motore di Diesel raggiunse in una prova un rendimento del 26,2%, più del doppio delle macchine a vapore dell’epoca. Nel Novecento i motori a combustione interna conquistarono il trasporto su strada, l’agricoltura, la navigazione e i primi aerei. I motori elettrici li stanno sostituendo in molte automobili, ma la maggior parte dei motori a combustione costruiti oggi segue ancora la sequenza a quattro tempi che Otto mise in pratica nel 1876.