Iniziamo con alcuni cenni storici riguardo la nascita e ai successivi sviluppi 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.
Il motore che ci interessa e che tratteremo è definito MOTORE A SCOPPIO
CENNI STORICI:
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.
Ecco un'immagine del motore di Eugenio Barsanti e Felice Matteucci
Successivamente, nel 1860,il francese Lenoir costruì il primo motore a combustione interna che ebbe applicazioni industriali. Era un motore detto a doppio effetto cioè con distribuzione a cassetto in cui la miscela , costituita da aria e gas illuminante, veniva aspirata dal pistone ( all’interno della camera di combustione ) per circa metà corsa, successivamente, si accendeva una scintilla elettrica la quale incendiava il combustibile che a sua volta spingeva lo stantuffo per la seconda metà della corsa compiendo così un giro utile.Il suo rendimento era del 4% e ciò rese notevole la diffusione di tale motore.
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.
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° corsa: aspirazione della miscela
- 2° corsa: compressione
- 3° corsa: accensione al punto morto e successiva espansione dei prodotti di combustione
- 4°corsa: scarico dei gas combusti
Tale ciclo di funzionamento è ancora oggi usato nei motori a quattro tempi.Nel 1877 il tedesco 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.
Successivamente,nel 1882, il Prof. Enrico Bernardi, anticipò di ben due mesi Carl Benz e Gottlieb Dailmer l'invenzione del motore a scoppio che sfruttava come combustibile la benzina, un derivato del petrolio. La " Motrice Pia ", dal nome della figlia di Bernardi, è l'anello di congiunzione tra le macchine a vapore ed i motori a scoppio dove il fuoco è portato nel cilindro motore per ottenere la trasformazione del calore in lavoro. Il motore di Bernardi è un motore 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.
Ecco un'immagine della motrice Pia:
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.
