Il motore dell’auto: come è fatto e come funziona | Auto for Dummies

In un precedente articolo di Auto for Dummies, vi avevamo spiegato la differenza tra un motore diesel ed uno a benzina. Oggi ci concentriamo in modo specifico e allo stesso tempo generale sul funzionamento del motore a scoppio nelle sue parti principali. Questo tipo di propulsore, utilizzato sulle prime macchine termiche di fine ottocento, permette di applicare una catena di trasformazione energetica mediante diverse componenti ben progettate ed in sinergia tra loro.

 

Una delle visioni che aiutano a capire il funzionamento di un’automobile e del suo cuore pulsante, il motore, è dato dall’immaginare ogni componente come un elemento in grado di svolgere un ruolo specifico. Grazie a questa premessa sarà facilissimo concepire come nel complesso il motore a scoppio sia in grado di trasformare l’energia chimica del combustibile in energia meccanica trasmessa alle ruote.

Blocco motore e cilindrata

Come anticipato nell’introduzione, prima di capire come nella pratica il motore riesca a trasformare il carburante, sia esso gasolio o benzina, in movimento, analizziamo gli elementi principali con cui il motore a scoppio lavora. Il blocco motore rappresenta la parte più massiccia e robusta di quello che si trova sotto ogni cofano. Il basamento di questa “scatola”, realizzato in ghisa o alluminio, presenta degli evidenti fori cilindrici in cui sono alloggiati i pistoni. Questi ultimi sono liberi di muoversi su e giù, per essere più precisi di moto alternativo, grazie alla chimica della combustione di cui parleremo più avanti. Ma cosa regola il movimento dei pistoni all’interno della cosiddetta camera di combustione?

modello 3D di un motore V12 (sei fori cilindrici per lato) credit: 3D Horse

Iniziamo a dare qualche definizione immediata. Quando sentite parlare di V6, V8 o V12 ci si riferisce al numero di cilindri presenti all’interno del blocco motore. Se andiamo quindi ad analizzare un motore 4 cilindri, uno dei più diffusi sulle auto di tutti i giorni, avremo quindi a che far con quattro fori accoppiati a quattro pistoni in movimento. La cilindrata rappresenta invece la dimensione, in litri o cm3, dei fori cilindrici che contengono i pistoni – ad  essere precisi sarebbe il volume spazzato dal pistone all’interno del cilindro lungo la sua corsa ma ci limitiamo ad analizzare i concetti principali. Un quattro cilindri 1000 cm3, corrispondente ad 1 litro, sarà quindi un motore in cui ogni ogni cilindro sarà in grado di contenere all’incirca ¼ di litro, l’equivalente di un bicchiere pieno d’acqua, della miscela esplosiva di aria e combustibile.

credit: autotecnica.org

Analizziamo per semplicità un singolo pistone. Nella parte superiore del cilindro sono presenti due fori: uno in cui entra la miscela ed uno da cui escono i gas combusti alla fine del ciclo termodinamico. È proprio qui che entrano in gioco le valvole, elementi meccanici in grado di chiudere ed aprire questi fori con un tempismo fondamentale. All’interno della camera di combustione di un motore quattro tempi avvengono nel giro di pochissimo tempo le fasi di aspirazione, compressione, espansione e scarico. Esattamente nella prima e nell’ultima di queste fasi le valvole, rispettivamente di ingresso ed uscita, si aprono e chiudono permettendo l’ingresso della miscela e la fuoriuscita dei gas di scarico. Tecniche come la fasatura d’accensione permettono di ottimizzare il tutto.

accoppiamento pistone cilindro con l’albero a gomiti (in basso). Albero a camme doppio e valvole (in alto). In questo caso vediamo quattro valvole per ogni cilindro, due di aspirazione e due di scarico

L’albero a camme e le valvole

Capite bene che regolare queste diverse fasi per tutti i cilindri presenti non è affatto facile. Questa magia, oltre che dall’impostazione elettronica, è regolata dall’albero a camme: un lungo cilindretto che corre per tutta la testata del motore e meccanicamente “tira” e spinge le valvole in modo da aprire e chiudere i fori di aspirazione e scarico nel momento perfetto. La rotazione di questo albero, piccolo in confronto all’albero motore di cui parleremo in seguito, è data dalla cinghia . L’albero a camme viene messo in rotazione proprio da questo componente che sfrutta il movimento del motore stesso in costante rotazione.

Dettaglio delle camme, piccoli elementi collegati all’albero a camme in rotazione (grigio), in grado di spingere ed aprire le valvole (in arancione) grazie al non allineamento delle camme stesse

Sembra complicato ma pensatela così: lo scopo del motore è far girare le ruote. I pistoni generano un movimento alternativo (“su e giù”) che viene trasformato mediante opportuni cinematismi (parola complicata per definire elementi meccanici in movimento) nella rotazione di una “ruota” (volano). Tale ruota è collegata all’albero motore che, girando su sé stesso, trasporta il movimento alle ruote attraverso tutta la trasmissione di cui non parleremo in questo articolo.

Una parte della rotazione viene “rubata” al movimento delle ruote per far girare l’albero a camme proprio attraverso una cinghia, una catena o un insieme di ingranaggi. Ora sapete come il nostro motore, una volta generato il movimento “verticale”, trasporta la rotazione all’albero motore e contemporaneamente apre e chiude le valvole che regolano l’ingresso e l’uscita di miscela e gas esausti.

La parte termica: come si genera il movimento

Meccanicamente, il motore a scoppio dev’essere ben progettato in termini di dimensioni (geometria) e resistenza dei componenti: ogni elemento deve funzionare in sinergia. Ma come viene prodotto il movimento alternativo del pistone? La questione, sempre in parte meccanica per quanto riguarda lo spostamento fisico di questo componente, si sposta più sotto un piano energetico. Ogni cilindro è in grado di ospitare una precisa quantità di miscela aria-combustibile e farla letteralmente esplodere subito dopo la fase di compressione. Il movimento del pistone è dato proprio da questa esplosione che espandendo la miscela genera un effetto di pressione sulla testa del pistone stesso, spingendolo verso il basso.

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Nel caso di un motore a benzina lo scoppio è generato dalle candele, piccoli e resistenti componenti capaci di produrre una scintilla ed in grado di incendiare la miscela. Per quanto riguarda un motore a gasolio, l’esplosione è invece data dalla compressione stessa all’interno della camera di combustione. Per ulteriori dettagli in merito vi rimandiamo ad un precedente articolo di Auto for Dummies. Esattamente come la polvere da sparo spinge un proiettile all’interno della canna di un fucile, così l’esplosione del carburante spinge il pistone verso il basso. Ma come fa poi a tornare “in alto”? Qui torna in gioco un po’ di meccanica e l’anticipato meccanismo biella-manovella (cinematismo).

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Dovete sapere che i cilindri non sono tutti allineati; in altre parole, se consideriamo un motore quattro cilindri, in uno stesso istante due si trovano in alto ancora nella fase di compressione mentre gli altri due hanno appena raggiunto il cosiddetto punto morto inferiore. L’inerzia di questi componenti in movimento (dotati di una massa specifica) e la diversa posizione dei pistoni contribuiscono a riportare naturalmente i pistoni nel loro punto iniziale. Il ciclo termodinamico quattro tempi può così ricominciare aspirando, comprimendo, espandendo e scaricando tutto ciò che entra all’interno dei cilindri. Componenti aggiuntivi come i condotti di aspirazione e scarico, gli iniettori, il sistema di raffreddamento e la turbocompressione sono soltanto alcuni degli altri componenti in sinergia del motore a combustione.

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