Come funziona il motore a scoppio

I Motori hanno permesso all'Uomo di svolgere i lavori senza ricorrere alla forza propria o a quella degli animali: il primo vero motore fu la "Macchina a vapore", inventata da James Watt in Gran Bretagna (seconda metà del 1700), invenzione che permise i grandi progressi della Prima Rivoluzione Industriale che modificarono profondamente la civiltà.

Il Motore con la emme maiuscola è considerato però il "Motore a scoppio"che, inventato verso la fine del 1800, sfrutta la forza prodotta dall'esplosione (scoppio appunto) di sostanze particolari come polvere pirica o gas.

Se per la macchina a vapore, si parla con chiarezza di un inventore preciso, cioè l'inglese James Watt, per il motore a scoppio si hanno più "padri" fondatori.
Il merito dell'invenzione del motore a scoppio è da attribuirsi infatti a diversi "inventori" che, in varia misura, contribuirono al suo sviluppo fra il 1843 e il 1876: gli italiani Eugenio Barsanti e Felice Matteucci, il francese Beau de Rochas e l'ingegnere tedesco Nikolaus Otto (1832-1891).

Quest'ultimo è considerato il vero e proprio padre, perché il suo merito fu di iniziarne la produzione industriale. Ancora oggi, comunque, si parla in suo onore del "Ciclo Otto" per indicare il processo di combustione con accensione a candela dei motori delle auto o moto.

Per chiarire bene la sua importanza, bisogna ricordare che i motori a 4 o a 2 tempi delle nostre auto a benzina e delle motociclette seguono ancora il funzionamento descritto da Nikolaus August Otto, intorno al 1870 in Germania.

Ma in pratica, come può essere definito il "motore a scoppio"?

Il motore a scoppio è una macchina capace di trasformare in energia meccanica (movimento) l'energia termica (calore) che si produce con la combustione (bruciando) una particolare sostanza, come per esempio la benzina, in una "camera" più o meno grossa che è parte stessa del motore (da cui il nome di "combustione interna").

Ecco allora come funziona il motore a scoppio.

• Cercare prima di tutto di conoscere il significato delle parole in uso, in particolare combustibile, comburente, motore a scoppio, espulsione, combustione.
• Cercare su Internet disegni che rappresentino il motore a scoppio in modo da comprenderne bene la forma mentre si studia il funzionamento.

Per funzionare, il motore a scoppio ha bisogno di una miscela, di una sostanza cioè che possa bruciare e che col suo "scoppio" dia inizio al movimento: essa si chiama quindi Combustibile (perché brucia) e può essere benzina, gasolio, GPL o altri derivati del petrolio.
Nello stesso tempo, l'Ossigeno dell'aria è la sostanza comburente cioè quella che permette l'accensione. A seconda della sostanza combustibile usata, varieranno le caratteristiche del motore a scoppio e il suo uso.
La sostanza combustibile deve arrivare alla camera interna del motore, cioè la camera di combustione.

La combustione (o scoppio) dà il via ad una spinta che preme sullo Stantuffo (o Pistone) che si muove all'interno di un cilindro e che è collegato ad un albero motore cui trasmette il movimento. L'albero motore è anche detto "albero a gomiti" per la sua forma, mentre la strada percorsa dallo stantuffo si dice Corsa.
Il volume prodotto dallo stantuffo nella sua corsa si dice Cilindrata.
Il diametro interno del cilindro si chiama Alesaggio.

L'intero ciclo del funzionamento può avvenire in 1 o 2 giri completi dell'albero motore, cioè in 2 o 4 corse dello stantuffo, da cui si parla di Motore a scoppio a 2 o a 4 tempi.

In particolare i 4 tempi del motore, il cosiddetto Ciclo Otto, sono sintetizzabili in: Aspirazione, Compressione, Scoppio, Espulsione dei gas combusti (bruciati).

La prima fase del Ciclo Otto prevede che la miscela aria-combustibile entri, o meglio venga aspirata all'interno del cillindro ed è proprio il pistone ad agire come pompa aspirante, muovendosi nello stesso tempo verso l'alto. A lasciar passare la miscela, è la valvola di aspirazione che rimane appositamente aperta, mentre rimane chiusa la valvola di scarico.

Mentre sale, il pistone esercita una pressione (compressione) che fa aumentare la pressione interna e di conseguenza, il rendimento. Ed è questa la seconda fase.

Nel Terzo tempo si ha lo Scoppio.
Nel momento in cui la miscela aria-carburante raggiunge il giusto punto di compressione, una scintilla elettrica provocata dalla candela (scoccata tra gli elettrodi) fa esplodere la miscela. La benzina (o altro combustibile) brucia in un tempo brevissimo nella camera di combustione, combinandosi con l'ossigeno e producendo calore. La rapidissima dilatazione dei gas per effetto del riscaldamento spinge con violenza lo stantuffo all'interno. Anche in questa fase le due valvole rimangono chiuse e proprio perché lo sono, la temperatura e la pressione dei gas salgono molto e molto velocemente.
Il calore generato dalla combustione spinge con violenza il pistone creando energia meccanica, cioè movimento.

A questo punto, inizia il Quarto tempo: l'Espulsione o Scarico.

Mentre lo stantuffo si muove come nel secondo tempo, comprimendo i gas residui dello scoppio, la valvola di scarico (che finora era rimasta chiusa) si apre, in modo che i gas possano uscire dal cilindro, ma la valvola di aspirazione rimane chiusa. Mentre i gas combusti vengono espulsi dalla camera di combustione, il cilindro, tornato alla posizione iniziale, è pronto per ripetere l'intero ciclo.

Soltanto nel terzo tempo lo stantuffo viene mosso dalla forza dell'esplosione, mentre negli altri tre tempi prosegue il suo movimento per inerzia.

Il motore a scoppio ha trovato nell'automobile una delle sue applicazioni principali.
Di solito, il motore di un'automobile è costituito da quattro cilindri collegati fra loro, al cui interno gli scoppi non avvengono contemporaneamente, ma sono "sfasati" in modo da assicurare una spinta continua alla vettura. Da qui, la biella e la manovella trasmettono il movimento degli stantuffi all'albero motore e, successivamente, alle ruote, facendole avanzare.
All'inizio, per "accendere" il motore, occorre mettere in moto lo stantuffo in modo da fargli compiere le prime due fasi di aspirazione e di compressione: a ciò provvede il motorino elettrico di avviamento, di cui sono provviste le automobili.

Visto il numero delle auto e moto attualmente in circolazione nel mondo, l'impatto ambientale negativo dei motori a scoppio dovuto alle emissioni è ormai sotto gli occhi di tutti con le terribili conseguenze dell'inquinamento dell'ambiente.

Gli scienziati hanno perciò cercato di ovviare cercando soluzioni, per esempio, l'uso di combustibili alternativi, meno inquinanti o di filtri particolari per abbattere le emissioni nocive, ma nonostante tutto, rimane ancora aperto il problema della produzione di Anidride Carbonica, la principale responsabile dell'Effetto Serra, cioè del surriscaldamento terrestre.

I controlli in questo senso dell'Unione Europea hanno portato all'emanazione di normative particolarmente rigorose, le più rigorose del mondo: per esempio è stata imposta a tutti i veicoli la marmitta catalitica che è capace di controllare meglio le emissioni.

• Per lo studio, che non è affatto semplice, essendo pieno di termini scientifici precisi, si consiglia di procedere nel seguente modo: studiare prima la terminologia, analizzare molto bene i disegni del motore a scoppio, studiare infine la parte scritta, ripetendo molto volte la lezione in modo da essere veramente sicuri..

• Come funziona il motore a scoppio 2 e 4 tempi