Storia del Motore a Scoppio
Da fine ‘800 ai giorni nostri
CLASSIFICAZIONE DEL MOTORE
A SCOPPIO
I motori a combustione interna, sono anche definiti motori termici, nei quali la combustione avviene
internamente. Il motore è una macchina atta ad assorbire l'energia di una sorgente ed a trasformarla
in lavoro meccanico. Generalmente i motori non sono fini a se stessi, bensì agiscono su macchine
operatrici le quali eseguono lavorazioni utili all'uomo. A seconda del tipo di energia dal quale sono
alimentati, i motori si distinguono in:
•Motori ad energia naturale
•Motori animati
•Motori pneumatici
•Motori idraulici
•Motori termici
•Motori elettrici
•Motori nucleari
Una ulteriore classificazione viene fatta in base anche al movimento dell'organo principale il motore
quindi può essere:
•Rotativo ( detti anche motori a fluido )
•Alternativo ( motore a scoppio )
Il motore a scoppio è un motore di tipo alternativo quindi volumetrico poi chè il ciclo termodinamico
avviene in un volume definiti detto CILINRATA.
BARSANTI & MATTEUCCI
Nel 1854 Eugenio Barsanti e Felice Matteucci ( fisico ) brevettarono e costruirono il
primo motore a combustione interna che abbia mai funzionato. Fin dal 1851 tra i
due studiosi inizia, oltre che un rapporto di amicizia, una collaborazione
professionale nel campo tecnico scientifico. Le prime esperienze furono eseguite
con un cilindro in ghisa munito di stantuffo e di valvole che permise di studiare gli
effetti del miscuglio detonante di ossigeno e idrogeno, aria e idrogeno, aria e gas
luce. Questi esperimenti servirono anche a capire, oltre al comportamento dello
stantuffo, il problema dell'espulsione dei gas di scarico prodotti dalla combustione.
L'accensione della miscela avveniva o con scintilla elettrica o piccola fiammella di
gas, soluzione quest'ultima presto abbandonata a favore della prima. Da tali
esperimenti dedussero che la forza prodotta dalla rapida combustione dava una
forte spinta allo stantuffo, che non arrivava però alla fine della corsa se non in due
casi:
•
Carica di gas molto elevata
•
Stantuffo il più possibile libero durante la corsa di andata
Notarono inoltre che quando lo stantuffo arrivava a "fine corsa" ritornava poi
spontaneamente e velocemente indietro. Dedussero quindi che ciò era dovuta alla
condensazione dei gas che producevano un vuoto e conclusero che era la
pressione atmosferica a far si che il pistone tornasse indietro. Si trattava di un
motore verticale a stantuffo libero: lo scoppio, all’interno della camera di
combustione, avveniva attraverso una miscela di aria e gas illuminante; ciò,
proiettava il pistone in aria e per effetto, della depressione che si generava
all’interno del cilindro,lo stantuffo ridiscendeva con un movimento controllato da
uno speciale dispositivo a dentiera. Attraverso questi procedimenti, si compiva la
così detta corsa motrice.
AUGUST OTTO
Nel 1866 i tedeschi E. Langen e A. Otto costruirono un motore verticale a
stantuffo libero, analogo a quello di Barsanti e Matteucci, ma alquanto differente
per alcuni accessori come lo speciale innesto tra l’albero motore ed il rocchetto il
quale controllava il movimento dello stantuffo. A lato la foto del Prof. August Otto.
Questo motore Sostituì ben presto il motore inventato da Lenoir per il minor
consumo di combustibile ed un rendimento pari al 12% nonostante le enormi
dimensioni di ingombro e le violente vibrazioni che trasmetteva alle strutture di
sostegno. Nel 1860 il francese Beau de Rochas ideò il il ciclo a quattro tempi
secondo il quale in quattro corse del pistone, all’interno del cilindro si dovevano
effettuare le seguenti operazioni:
• 1° cosa: aspirazione della miscela
• 2° corsa: compressione
• 3° corsa: accensione al punto morto e successiva espansione dei prodotti di
combustione ( scoppio )
• 4°corsa: scarico dei gas combusti
Tale ciclo di funzionamento è ancora oggi usato nei motori a quattro tempi.Nel
1877 il tedesco A.Otto costruì il primo motore a quattro tempi che ebbe un
notevole successo, segnalando l’inizio della moderna costruzione industriale dei
motori a combustione interna. Successivamente, nel 1879, l’inglese D. Clerk ideò
e costruì il primo motore in cui venne realizzato il ciclo a due tempi, così detto
perché si svolge in due sole corse del pistone. Quasi al termine della corsa
motrice, il pistone, scopre una serie di feritoie praticate sulla superficie del cilindro
attraverso le quali si scarica la maggior parte dei gas combusti prima che il
pistone arrivi al punto morto inferiore. Nel frattempo, da altre feritoie, entra nel
cilindro un getto di miscela che, prendendo il posto dei gas combusti residui,
effettua il lavaggio del pistone e riempie il cilindro che così è pronto per compiere
un nuovo ciclo.
BERNARDI: Motrice Pia
Successivamente, nel 1882 , il Prof. Enrico Bernardi, anticipò di ben due
mesi a Karl Benz e Gottlied Dailmer l'invenzione del motore a scoppio
che sfruttava come combustibile la benzina, un derivato del petrolio. La "
Motrice Pia ", dal nome nome della figlia del Bernardi, è l'anello di
congiunzione tra le macchine a vapore( esotermiche )ed i motori a
scoppio( endotermici ) ove, letteralmente, il fuoco è portato nel cilindro
motore per ottenere la trasformazione del calore in lavoro. Il motore di
Bernardi è un motore alternativo di tipo atmosferico in quanto non è
prevista la fase di compressione e funziona a ciclo Etienne Lenoir a due
tempi.Le tre fasi di aspirazione, scoppio e scarico vengono effettuate in
due corse del pistone, in un solo giro dell'albero a manovella. La
distribuzione avviene con valvole a cassetto, come nelle locomobili a
vapore (da qui la parentela) e accensione a fiamma viva.
Il suo funzionamento, esemplificando, inizia con la prima fase di
aspirazione, quando il pistone allontanandosi dal PMS crea una
depressione nel cilindro che aspira la miscela aria-benzina solo sino a
meta' corsa. Seconda fase: scoppio; a metà corsa, verso il PMI la carica
esplosiva aspirata, viene accesa dalla fiamma attraverso la bocca
d'accensione e ne provoca lo scoppio. Terza fase: scarico; superato il
PMI il pistone espelle, nella corsa di ritorno al PMS, i gas inerti.
Il carburatore e' parte integrante del motore e fa da supporto di base. E'
un carburatore a superficie ove l'evaporazione e' attivata dal calore del
tubo di scarico, compensando automaticamente il raffreddamento della
miscela.
La "motrice Pia" ha un alesaggio di 44mm ed una corsa di 80,5mm pari
ad una cilindrata di 122,402cc a 200 giri al minuto con 0,024 CV. Venne
usata per azionare macchine da cucire e piccole operatrici e, cosa molto
importante, per motorizzare il triciclo giocattolo del figlio Lauro nell'anno
1884. E' il primo veicolo semovente al mondo con motore a benzina.
BERNARDI: Motore Lauro
Nel 1885, Bernardi, costruì un motore a quattro tempi denominato "
Lauro " dal nome di suo figlio.La concezione di tale motore e' così
avanzata che le sue caratteristiche sono oggi ancora attuali: e' un
monocilindrico orizzontale con alesaggio e corsa di 85x110 mm,
pari alla cilindrata di 624,195 cc. Ha una potenza di 2,5 hp a 800
giri al minuto, con distribuzione a valvole in testa comandate da
un'asta con bilanciere doppio e valvola d'aspirazione ad alzata
variabile. L'accensione sfrutta un "accenditore" a rete di platino che
utilizza la proprietà catalitica di arroventarsi in presenza
dell'idrogeno contenuto nella miscela carburata. All'atto della
messa in moto viene utilizzata una peretta di gomma per attivare il
flusso della miscela prima dell'effetto pompante del pistone.
Il prof. Bernardi preferì tale accensione a quella elettrica a mezzo
del rocchetto di Ruhmkorff , data la scarsa autonomia delle pile
dell'epoca. Il raffreddamento è a liquido con radiatore a tubetti e
circolazione attivata dai gas di scarico. La lubrificazione viene
assicurata a tutte le parti in movimento da un distributore rotativo
d'olio.
Il motore inoltre è dotato di filtro per la benzina e per l'aria, ha un
silenziatore allo scarico ed un regolatore centrifugo della velocità di
rotazione.
Il motore "Lauro" è il più vicino alla realizzazione pratica del ciclo
termico a volume costante con elevato rendimento e contenuto
consumo di benzina, paragonabile a quello dei motori odierni.
DIESEL & BOSCH
Con il passare degli anni, Rudolf Diesel, nel tentativo di evitare e superare i problemi di
accensione del motore a combustione interna, brevettò nel 1893 un suo motore nel quale
l' accensione, invece che determinata da una scintilla, veniva provocata aumentandone
la pressione.Per prima cosa Diesel dovette eliminare la benzina e passare a combustibili
meno volatili e più facilmente accendibili come i distillati più pesanti del petrolio ( oggi
chiamati gasolio ), gli oli vegetali ( compreso quello di oliva ) e, infine, la polvere di
carbone. Anzi, fu proprio quest'ultima che gli permise di costruire e far funzionare il suo
motore, poichè all'epoca non erano disponibili pompe di iniezione capaci di polverizzare i
combustibili liquidi che, per poter bruciare uniformemente, dovevano essere polverizzati
in maniera fine. Con la polvere di carbone, invece, Diesel impiegò in sistema pneumatico,
una specie di pompa per bicicletta, che soffiava all'interno del cilindro una nuvola di
carbone già finemente polverizzato. Ovviamente il rapporto di compressione dovette
salire fino al punto di provocare, nell'aria, una temperatura ed un pressione tali da
innestare la combutisione spontanea. Rudolf Diesel non sapeva di avere inventato il
motore che, in seguito, sarebbe diventato un campione di economia, grazie al suo
elevato rapporto di compressione. Non sapeva neppure che Bosch, avrebbe inventato,
nel 1927, una pompa meccanica per poter iniettare un combustibile liquido, il gasolio, e
trasformare il diesel da motore pesante e lento, atto solo per navi e locomotive, a
propulsore principe per i veicoli industriali.
Diesel, da questo motore, ottenne un rendimento 24% e rese possibili le più importanti
applicazioni di motori a combustione interna della tecnica moderna. Non immaginava
neppure che, dopo 107 anni dal suo brevetto, il diesel si sarebbe affermato in campo
automobilistico al punto di poter effettuare il sorpasso sul motore a benzina.
WANKEL
Successivamente, negli anni Cinquanta, l’inventore tedesco Felix Wankel
ideò un motore a combustione interna radicalmente nuovo, in cui il pistone e
il cilindro venivano sostituiti da un rotore a tre lobi, rotante in una camera
pressoché ovale. La miscela aria-carburante viene aspirata attraverso una
luce di ammissione e intrappolata tra una faccia del rotore in rotazione e la
parete della camera ovale. Il rotore comprime la miscela e l'accensione
viene ottenuta per mezzo di una candela. I gas di combustione vengono
quindi espulsi attraverso una luce di scarico per effetto della rotazione. Il
ciclo si ripete in corrispondenza di ognuno dei lobi del rotore, producendo
così tre corse attive a ogni rotazione. Le dimensioni ridotte del motore
Wankel, e il conseguente minor peso rispetto ai motori alternativi,
sembravano prospettare a questa soluzione un grande avvenire, anche alla
luce dell’aumento dei prezzi del petrolio che caratterizzò gli anni Settanta e
Ottanta. I motori Wankel sono praticamente privi di vibrazioni, la loro
semplicità meccanica comporta bassi costi di produzione, hanno limitate
necessità di raffreddamento e centro di gravità molto basso, che
contribuisce alla sicurezza del funzionamento. Nonostante questi vantaggi,
la produzione di tali motori, iniziata in Giappone e negli Stati Uniti nei primi
anni Settanta, è stata sospesa a causa dell’elevato consumo di carburante e
del notevole inquinamento prodotto.
Riassumendo…
FUNZIONAMENTO MOTORI
Motore a 4 tempi
1. Aspirazione
2. Compressione
3. Espansione
4. Espulsione
Motore a 2 tempi
Motore Rotativo tipo Wankel