Come funzionano di preciso i motori a scoppio e come sono fatti al loro interno

Un motore a combustione interna, o "a scoppio", è un meccanismo che converte l'energia chimica dei carburanti in energia meccanica. Per capire bene come funziona, prendiamo come esempio il motore a quattro tempi, che va a benzina: è il tipo di motore più comune, rimasto invariato nel funzionamento dall’anno della sua invenzione, cioè nel 1876. In questo articolo vi spieghiamo come funziona il ciclo di funzionamento di un motore a scoppio, e di come i cilindri all'interno dei cilindri riescono a produrre energia meccanica.

Le fasi del motore a scoppio

Il ciclo di funzionamento di un motore a scoppio è diviso in quattro fasi: aspirazione, compressione, combustione ed espulsione. Ogni fase è gestita da componenti specifiche del motore. Lo schema base di un motore a scoppio è composto dal blocco motore, che è un pezzo unico fatto in ghisa o in alluminio, dove ci sono i cilindri, al cui interno scorrono i pistoni.

1 – Aspirazione

Quando giriamo la chiave di accensione dell’auto, c’è un motorino elettrico che avvia la prima fase del ciclo di funzionamento, ovvero l'aspirazione. Durante questa fase, il pistone si sposta dal punto più alto del cilindro, che si chiama punto morto superiore,  al punto più basso, chiamato punto morto inferiore, creando uno spazio vuoto all'interno del cilindro. In questo momento si apre la valvola di aspirazione – un tappo che si apre e si chiude per rendere ermetico o meno il cilindro. Quando questa si apre, la miscela aria-benzina viene aspirata all'interno del cilindro, che può essere introdotta o tramite un carburatore, che serve a creare la miscela aria-benzina ed è direttamente collegato al condotto della valvola di aspirazione, oppure tramite un iniettore elettronico, che nebulizza il carburante direttamente nella camera di combustione.

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2 – Compressione

La seconda fase è la compressione. In questa fase, il pistone si sposta dal punto morto inferiore al punto morto superiore, comprimendo il combustibile e l'aria all'interno del cilindro, per aumentare la  potenza esplosiva del carburante. In questa fase la valvola di aspirazione si chiude, rendendo ermetico il cilindro.

3- combustione

La terza fase del ciclo è la combustione. In questa fase, la candela d'accensione provoca una scintilla che fa esplodere il combustibile all'interno del cilindro. La forza esplosiva della combustione spinge verso il basso il pistone, generando energia meccanica.

4 – Espulsione

L'ultima fase del ciclo è l'espulsione. Il pistone si sposta dal punto morto inferiore al punto morto superiore, espellendo i gas di scarico attraverso la seconda valvola che fino a questo momento era chiusa. Subito dopo la valvola di aspirazione si riapre e il ciclo ricomincia.

Questo meccanismo è identico in tutti i motori, anche quelli più obsoleti. Ciò che è cambiato nel corso degli anni sono le componenti del motore: lo scopo è rendere più efficiente la combustione del carburante e permettere così al motore di consumare sempre meno benzina; questo permette anche di utilizzare più energia chimica, messa a disposizione dal combustibile. La differenza principale tra le auto più recenti e quelle più vecchie è infatti che hanno potenze più alte e consumi minori.

Quanti cilindri ci sono nei motori a scoppio?

Esistono vari tipi di cilindrate:

• monocilindrico, cioè a un cilindro: si riconosce perché si riescono a sentire i singoli scoppi del motore. Gli scooter di oggi sono quasi tutti monocilindrici.
• bicilindrico, due cilindri, come le Harley-Davidson o le Ducati.
• a tre o a quattro cilindri, come le automobili che usiamo nella vita di tutti i giorni.

Ma le cilindrate non si fermano qui, ce ne sono anche a sei cilindri, come le macchine della Formula 1 (che montano anche un motore elettrico ibrido). Poi ci sono anche motori da otto, dieci o dodici cilindri, come la Lamborghini Aventador.

Curiosità: quante volte sentiamo dire questo è un motore da 2 litri, o mille e sei a benzina e così via. Ma cosa vuol dire? È la somma del volume di tutti i cilindri del motore. Per esempio, un motore a 4 cilindri da 2 litri avrà quattro cilindri, ciascun cilindro con un volume di 0,5 litri.

Le componenti del motore

Oltre al blocco motore e ai cilindri, ci sono altre componenti fondamentali del motore. All'interno dei cilindri ci sono i pistoni, delle parti mobili che si muovono appunto dentro ai cilindri. I cilindri sono collegati all'albero motore, che trasforma il movimento del pistone in energia meccanica. Sulla parte superiore c’è la testata, dove sono inserite le valvole, che controllano l'aspirazione e lo scarico dei gas. Poi ci sono le candele d'accensione, che sono collocate nella testata del cilindro e creano la scintilla che accende il combustibile.

Per garantire che tutto funzioni in perfetta sincronia, i motori sono dotati di cinghie o catene di distribuzione, che collegano il movimento dei pistoni agli alberi a camme, che sono il dispositivo che controlla l'apertura e la chiusura delle valvole, regolando l'aspirazione e lo scarico dei gas, mantenendo tutto il sistema sincronizzato.

Differenza tra motore a due tempi e quattro tempi

Come abbiamo detto, il motore a quattro tempi è uno dei più comuni, ma c’è un altro tipo di motore a scoppio: è il motore a due tempi, che ha un funzionamento più semplice. La differenza sostanziale è il modo in cui l’energia viene generata. Invece delle quattro fasi del motore a quattro tempi, qui ne avvengono solo due per ogni ciclo, aspirazione/compressione e espansione/scarico. Viene usato per esempio nei motorini, i tagliaerba, le motoseghe o generatori di corrente.

L'impatto ambientale del motore a scoppio

I motori a combustione interna sono stati un'importante innovazione tecnologica che ha permesso una crescita economica senza precedenti e una maggiore mobilità. Tuttavia, la loro impronta ambientale richiede una riflessione sulle loro applicazioni e un'attenzione particolare allo sviluppo di tecnologie più pulite e sostenibili. Infatti negli ultimi anni i motori ibridi, che sono la combinazione di un motore a combustione interna con un motore elettrico, migliorano l'efficienza della combustione riuscendo a ridurre le emissioni. Ma adesso il nostro obiettivo è quello di trovare un equilibrio tra le esigenze di un mondo in continuo movimento e la necessità di proteggere il nostro ambiente per le generazioni future.