La combustione e le quattro fasi del motore a scoppio

Abbiamo già visto come è fatto un motore, analizzando le parti principali che lo compongono e ne permettono il funzionamento. Un motore a scoppio o motore a combustione interna è una sorta di trasformatore, che parte dall’energia contenuta nella benzina e nell’aria per farla diventare energia meccanica. Questa trasformazione avviene attraverso un processo di combustione e le quattro fasi, che rappresenta l’idea fondante del motore a scoppio. Per spiegarla prenderemo ad esempio il Ciclo Otto, quello dei motori benzina, i più semplici e diffusi sul pianeta.

Aggiornamento del 16 gennaio 2024: miglioramento della leggibilità e contenuti più utili e attuali per i lettori

L’INVENZIONE DEL MOTORE A COMBUSTIONE A QUATTRO FASI

Il Ciclo Otto (il ciclo a quattro tempi più diffuso) si chiama così per via del nome del suo inventore, l’ingegnere tedesco, Nikolaus August Otto, che nel 1876 depositò il suo brevetto. Ma non era stato il primo a studiare il motore a combustione interna, la cui invenzione (1851) è da attribuirsi agli italiani Eugenio Barsanti, insegnante di fisica e Felice Matteucci, ingegnere idrico. I motori sperimentali degli italiani erano monocilindrici con pistone verticale, ma non prevedevano la compressione che fu invece l’intuizione vincente di Otto. Il suo brevetto prevedeva proprio lo scoccare della scintilla nel momento di massima compressione della miscela gassosa.

COME FUNZIONA IL MOTORE A COMBUSTIONE INTERNA

La denominazione “a quattro tempi”, invece, deriva dalle fasi caratteristiche della combustione che sono, per l’appunto, quattro: aspirazione, compressione, espansione e scarico. Vengono compiute in quattro corse del pistone, ovvero due giri completi dell’albero a gomiti. Per corsa del pistone si intende il suo spostamento da un punto estremo all’altro, cioè dove il pistone si ferma per un istante per invertire il suo movimento e sono chiamati “punti morti”, inferiore e superiore.

I PUNTI MORTI NEL MOTORE A COMBUSTIONE INTERNA

Il punto morto superiore (PMS) è quello in cui il pistone è più vicino alla testa del cilindro, mentre quando si trova alla minima distanza dal basamento è arrivato al punto morto inferiore (PMI). Il diametro del pistone, che è inferiore a quello del cilindro solo di alcuni centesimi di millimetro, si chiama alesaggio. Insieme alla corsa, che è lo spazio percorso dal pistone tra il PMI e il PMS, forma le cosiddette “misure caratteristiche” di un propulsore. La cilindrata, invece, è il volume che genera il pistone all’interno del cilindro quando si trova al PMI.

ASPIRAZIONE E COMPRESSIONE NEL MOTORE A COMBUSTIONE

La prima fase del Ciclo Otto (aspirazione) prevede che la miscela aria-carburante venga aspirata dentro al cilindro. La valvola di aspirazione si apre e, nello stesso tempo, il pistone scende dal PMS al PMI. Il questa fase il pistone agisce come una pompa aspirante, ma non appena arriva al PMI inverte il suo moto, inizia a risalire verso il PMS e contemporaneamente si chiude la valvola di aspirazione. Mentre il pistone sale comprime la miscela aria-benzina (compressione), alza la pressione interna e aumenta il rendimento. Importantissimo è il rapporto di compressione, ovvero il rapporto tra volume massimo (pistone al PMI) e volume minimo (pistone al PMS) a disposizione dei gas all’interno del cilindro.

ESPANSIONE E SCARICO NEL MOTORE A COMBUSTIONE

Quando la miscela aria-benzina è compressa al punto giusto, una scintilla scocca tra gli elettrodi della candela e avviene, con grande rapidità la combustione. Lo sviluppo di energia termica è ingente, la temperatura e la pressione dei gas all’interno del cilindro salgono, anche perché le valvole rimangono chiuse. In questo momento inizia la fase di espansione, in cui il pistone scende verso il PMI e una parte del calore generato dalla combustione diventa energia meccanica. Arrivato al PMI, il pistone risale verso il PMS e si apre contemporaneamente la valvola di scarico, permettendo di espellere dal cilindro tutti i gas.