Presentiamo in questo approfondimento il contributo dell’ingegner Lorenzo Morello, Professore incaricato presso Ingegneria dell’Autoveicolo del Politecnico di Torino fino al 2012, autore di due libri sulla storia delle Automobili Fiat e delle Automobili Lancia, e di numerosi articoli sull’evoluzione tecnologica dell’automobile. Il suo testo, dettagliato ed esteso, racconta in profondità l’evoluzione del motore a scoppio dalle origini agli anni Settanta del Novecento. L’ingegner Morello, che ha trascorso l’intera sua vita professionale all’interno di Fiat, prima al Centro Ricerche, poi a Fiat Auto come Direttore Ingegneria Motopropulsori e in seguito Direttore Ingegneria Veicoli, è anche l’autore del multimediale a disposizione del pubblico, nella sezione “Sinfonia Meccanica”.
Nel presente lavoro, derivato da una conferenza tenuta dall’Autore a Firenze nel 2003, in occasione delle manifestazioni per il 150° anniversario dell’invenzione del motore a scoppio, vengono descritti, nei loro dettagli essenziali, i motori di De Rivaz, Barsanti e Matteucci, Lenoir ed Otto (a stantuffi liberi ed a quattro tempi), che segnarono le fasi iniziali dello sviluppo dei motori ad accensione comandata; con i dati disponibili in letteratura, viene tentato un confronto fra le prestazioni di questi motori.
Partendo dalla realizzazione di Daimler e Maybach, che può essere considerata il primo motore ad accensione comandata, espressamente sviluppato per la produzione in serie di veicoli, si tenta di dare una visione, in una prospettiva storica, dell’evoluzione tecnologica di questi motori, attraverso l’esame di tutta la produzione motoristica della Fiat, dal 1899 ai giorni nostri. Si adotta come parametro, per la misura dell’evoluzione, la potenza per unità di cilindrata; questo parametro è analizzato, evidenziandone i suoi componenti principali (velocità angolare, pressione media effettiva e rapporto di compressione), in funzione delle date di lancio dei vari motori.
Utilizzando la prassi presentata da alcuni manuali d’ingegneria motoristica, editi in diversi periodi temporali, si cerca di motivare l’andamento dei parametri di misura, con le cognizioni tecniche, le tecnologie produttive ed i materiali al momento impiegabili.
L’articolo verrà pubblicato in due parti, la prima contenente i principali motori dei precursori, la seconda una rassegna, necessariamente parziale, sui motori di produzione industriale automobilistica.
I precursori
Il primo motore termico funzionante è comunemente attribuito ad Erone e risale al 130 a.C. Esso è mosso dalla coppia di reazione, del momento della quantità di moto, posseduta da due getti di vapore, montati su di un perno girevole.
Per vedere il primo veicolo mosso da un motore a vapore, occorre attendere fino al carro di Cugnot, nel 1769.
E’ impossibile identificare, in una singola persona, l’inventore del motore a combustione interna; numerosi furono i tentativi e le soluzioni tecniche tentate. E’ viceversa indiscussa una priorità sulla costruzione del primo veicolo funzionante, propulso da un motore “a scoppio”; esso risale al 1807 e fu realizzato dallo svizzero Issac de Rivaz (1752 – 1828), dopo molti tentativi, senza successo, di costruzione di veicoli a vapore, iniziati già nel 1780.
Una riproduzione di questo veicolo è riportata nella fig.1. Il motore, progenitore di una stirpe di realizzazioni abbastanza simili fra loro, è costituito da uno stantuffo, libero di muoversi in un cilindro verticale. Un’asta, incastrata sullo stantuffo, è collegata a due catene, avvolte nei due sensi, su una puleggia ad asse orizzontale; l’accoppiamento, creato dalle catene, è equivalente a quello realizzabile da un pignone con una cremagliera.
Un certo quantitativo di gas povero può essere introdotto nella camera di combustione, a pressione atmosferica, ed essere incendiato con una scintilla elettrica. L’energia, liberata dalla combustione, lancia il pistone verso l’alto; al termine della corsa esso si arresta per effetto della reazione risultante del peso proprio e della pressione interna, che raggiunge, dopo l’espansione, valori inferiori alla pressione atmosferica.
Il peso proprio e la pressione esterna faranno, così, ritornare, più lentamente, il pistone nella posizione iniziale; tutta l’energia liberata dalla combustione, trasformata in energia potenziale, a meno delle perdite, può essere trasformata in lavoro utile, durante la corsa di discesa del pistone. Un collegamento ad arpionismo unisce la ruota comandata dalla catena ad un rocchetto che, mediante una fune, pone in rotazione l’asse motore del veicolo.
Le fasi di funzionamento del motore erano attuate manualmente e, dopo un certo spostamento, era necessario arrotolare la fune nella posizione iniziale. Le relazioni del De Rivaz riportano una velocità massima di circa 7 km/h, per un veicolo di circa 900 Kg di massa. Lo stantuffo aveva un alesaggio di circa 365 mm ed una corsa di 1500. La velocità era determinata dalla capacità, da parte del macchinista, di ripetere un ciclo ogni 5 secondi; ogni ciclo produceva uno spostamento di circa 9 m.
Su uno schema meccanico abbastanza simile, è realizzato il motore di Barsanti e Matteucci; esso si differenzia dai predecessori per essere in grado di svolgere tutte le sue funzioni in modo automatico.
Niccolò Barsanti (1808 – 1864) è un professore di meccanica ed idraulica presso l’istituto Ximeniano di Firenze; inizia gli studi sulla combustione a volume costante dei gas nel 1843. Felice Matteucci (1821 – 1887) è un ingegnere idraulico professionista, con una brillante preparazione accademica.
Conducono studi comuni sulla combustione dei gas, a partire dal 1851. Il 5.6.1853, depositano, insieme, una memoria sigillata, per creare una priorità ufficiale, presso l’Accademia dei Georgofili. Essa descrive i risultati ottenuti su un motore a gas, da loro inventato; la memoria sarà dissigillata e pubblicata solo il 20.9.1863.
Nel 1854 essi realizzano il progetto di un motore a stantuffo libero, simile, nei suoi elementi essenziali, a quello di De Rivaz. Ottengono il primo brevetto in Inghilterra il 13.5.1854, seguito da molti altri in diversi stati. Il motore è riprodotto in scala nel modello di fig. 2.
L’ordine di costruzione del primo prototipo del motore è affidato alle Officine Benini di Firenze; solo nel 1856 il motore è in grado di funzionare e viene istallato presso le Officine ferroviarie Maria Antonia, dove viene destinato all’azionamento di macchine utensili.
Verrà ora brevemente illustrato il funzionamento di questo motore, facendo riferimento alla tavola di fig. 3, allegata al primo brevetto italiano, del 30.12.1857. Si noti che tale tavola è suddivisa in figure, che sono riferite, nel seguito, impiegando, come sull’originale, la lettera maiuscola.
Come anticipato, il motore è realizzato mediante stantuffi (1 in Fig. 2) liberi di muoversi sotto l’azione esercitata dai prodotti della combustione; in questo caso, l’asta dello stantuffo è collegata mediante un accoppiamento a cremagliera ad una puleggia 2, collegata a sua volta, mediante un arpionismo, all’albero 3, visibile sulle Figg. 1 e 4.
Lo stantuffo è lanciato, dall’energia della combustione, verso l’alto ed arresta la sua corsa quando la forza d’inerzia della sua massa è equilibrata dalla pressione interna, inferiore all’atmosferica, e dalla forza peso. Da quest’istante, determinato dalla quantità d’energia introdotta e non dalla geometria del sistema, inizia la corsa di ritorno, sotto l’azione della depressione e della forza peso. Il moto si trasmette ora all’albero 3; la velocità di quest’albero è resa più regolare da un opportuno volano e dalla presenza di un secondo cilindro, le cui fasi d’espansione e ritorno sono in opposizione con quelle del primo.
Allo stesso albero 3 (in Fig. 1), è collegato, mediante un manovellismo, che agisce su di un giogo 4, un secondo stantuffo, o controstantuffo, ingrandito in Fig. 3, ed indicato con il numero 5; il suo moto deve avere una ben precisa relazione con quello dello stantuffo principale, anche se fra i due elementi non esistono vincoli geometrici definiti.
Esso si trova circa al suo P.M.S., quando lo stantuffo principale si trova al P.M.I.; ha quindi lo scopo di scoprire le luci di scarico e di ridurre lo spazio morto, per migliorare il lavaggio.
Lo scarico avviene attraverso le luci scoperte dal cassetto di distribuzione (tiratoio, nel testo del brevetto, indicato con 6 in Fig.3) e consiste nel trasferimento dei gas dalla camera di combustione alla camera individuata dalla faccia inferiore del controstantuffo e dal fondo del cilindro. Solo durante la successiva corsa discendente del controstantuffo, il gas sarà espulso all’esterno, attraverso opportune valvole automatiche.
Quando il controstantuffo si porta al P.M.I. scopre le luci d’aspirazione e provvede all’alimentazione della miscela gassosa alla camera di combustione.
Si noti che il cassetto di distribuzione è comandato dal giogo, con una corsa morta, utilizzata per la sincronizzazione delle fasi.
L’accensione, di tipo elettrico avviene per lo scintillio provocato da un elettrodo a perno 7, in Fig. 5, posto in rotazione contro la massa del cilindro ed azionato da un comando a fune; detto elettrodo viene collegato ad una pila, munita di moltiplicatore di tensione, da un contatto azionato dal movimento.
Le figure, riportate sulla fig. 3, e contrassegnate con “bis”, illustrano una variante notevolmente più semplice, nella quale manca lo stantuffo ausiliario e la distribuzione è effettuata con un cassetto mobile, in analogia ad una macchina a vapore.
Una versione perfezionata del motore fu realizzata in seguito, con la collaborazione di Giovanni Battista Babacci e brevettata nel 1858. Questa versione prevedeva un unico cilindro con due pistoni liberi affacciati alla stessa camera di combustione; il successo ottenuto con questo motore convinse i partner a fondare nel 1860 la Società Promotrice del Nuovo Motore Barsanti e Matteucci, per lo sfruttamento industriale dell’invenzione.
Barsanti morì tuttavia prematuramente, a Liegi nel 1864, senza che quest’impresa avesse potuto raggiungere il successo economico, che meritava.
Il successo economico arrise, invece, a Jean Joseph Etienne Lenoir (1822 – 1900), ritenuto il primo inventore, nel campo dei motori a combustione interna, che poté trarre profitto da una produzione in serie del proprio trovato; infatti, i suoi motori furono prodotti in più di 600 esemplari, in diverse nazioni.
Il motore di Lenoir è, da alcuni, visto come un passo indietro, da un punto di vista termodinamico, rispetto alla tecnologia di Barsanti e Matteucci, poiché oltre ad essere privo della fase di compressione, non dispone di un rapporto di espansione variabile, in funzione della pressione di combustione raggiunta.
In realtà, come lo stesso Autore del brevetto del 1861 reclama, il suo motore è dotato di un processo di combustione continuo e controllabile, non di tipo balistico come nei motori a stantuffi liberi, ed è in grado di operare con risultati simili a quelli di una macchina a vapore, senza possedere la penalizzazione della caldaia.
Ed, in effetti, si tratta proprio di un motore alternativo a vapore, convertito al funzionamento mediante combustione interna. La fig. 4 riporta un’illustrazione dell’epoca con uno dei motori realizzati; la fig. 5 riporta una sezione del cilindro del motore.
Si tratta di uno stantuffo a doppio effetto, che aziona un manovellismo dotato di testa a croce; l’albero a gomito possiede due eccentrici che comandano due cassetti di distribuzione a saracinesca, visibili rispettivamente in alto, per l’ammissione della miscela gas aria, ed in basso, per lo scarico.
Il cilindro possiede un’intercapedine di raffreddamento ad acqua e due candele d’accensione affacciate sulle due camere di combustione; la scintilla d’accensione è generata dalla tensione di una batteria, innalzata da un rocchetto di Ruehmkorff. La tensione è innalzata periodicamente ad una frequenza, non fasata con il motore, molto più elevata di quella di combustione; un contatto mobile sulla testa a croce provvede a collegare la candela con il circuito ad alta pressione, al momento opportuno.
Nella realtà, il funzionamento del motore era comandato dall’accensione della candela solamente ai carichi parziali; a pieno carico prevaleva il fenomeno della preaccensione e la detonazione rendeva il funzionamento del motore molto ruvido e rumoroso, come lamentato dagli utenti dell’epoca. Anche il basso rendimento era giudicato un problema.
Non risulta, anche se fu denunciato un tentativo da parte di Lenoir, che questo motore sia mai stato impiegato per la propulsione di un veicolo.
Nicolaus August Otto (1832 – 1891) non poté fruire di un’educazione tecnica adeguata alle sue aspirazioni; fu la sua professione, di rappresentante commerciale di prodotti vari, che gli permise, viaggiando, di venire a conoscenza dei motori Lenoir ed ad interessarsene; si può dire che ogni suo risparmio venisse speso per documentarsi su questa nuova realtà ed, in un secondo tempo, per costruire prototipi migliorativi di questo motore.
Il problema che lo interessava maggiormente era quello del miglioramento della combustione del motore Lenoir, allo scopo di poterla rendere più graduale e controllabile. Egli tentò, a questo scopo, la via della compressione della miscela; gli insuccessi ottenuti lo convinsero a cambiare strada, tentando quella dei motori atmosferici a stantuffi liberi.
Nel tempo in cui provava il suo primo prototipo, ebbe l’occasione di incontrare Eugen Langen (1833 – 1895), uomo di personalità dinamica, che aveva già conseguito alcuni successi in campo industriale; insieme fondarono nel 1864 la Otto & Cie. (oggi diventata Kloeckner-Humboldt-Deutz A.G.) per lo sfruttamento industriale del motore a stantuffi liberi, rappresentato, nel suo primo esemplare, in fig. 6.
Di motori di questo tipo e derivati, ne furono costruiti 2650 fino al 1882.
Il successo del motore fu decretato all’esposizione internazionale di Parigi del 1867, dove l’idea di assegnare un premio al motore termico di minor consumo fece meritare la medaglia d’oro al motore di Otto-Langen.
Il motore è simile alla versione bis del motore Barsanti e Matteucci, rappresentata nel brevetto italiano e vi è ragione di credere che informazioni sul loro lavoro fossero note ai due inventori tedeschi; i numerosi perfezionamenti, fra i quali il comando dell’albero mediante una ruota libera a frizione, ideata da Langen, valsero comunque la brevettabilità ed il successo commerciale; le accuse di contraffazione lanciate da Matteucci, dopo l’esposizione di Parigi, furono respinte.
Durante il Primo Congresso del Motore a Scoppio, tenutosi a Padova nel 1927, il Prof. A. Levi Cases presentò un’interessante memoria sulla comparazione di questi motori; da essa sono riportati i dati di fig. 7, dai quali emerge la superiorità tecnica dei motori a stantuffi liberi, rispetto al motore Lenoir, così come la maggior prestazione del motore Otto-Langen, anche se provato ad una velocità molto inferiore al valore nominale dichiarato, di 90 giri/min.
Incoraggiato dal successo del motore a stantuffi liberi, Otto decise di riconsiderare l’idea, attuata senza successo sul motore Lenoir, di migliorarne le prestazioni, introducendo la compressione della miscela prima della combustione; se la teoria incoraggiava a percorrere questa strada, la pratica non aveva condotto ancora a buoni risultati, a causa delle obiettive difficoltà a dominare, con le tecnologie dell’epoca, la preaccensione e la detonazione.
Dopo numerosi tentativi Otto perfezionò l’idea di un motore a quattro tempi, di cui uno dedicato alla compressione della miscela; l’idea nuova consisteva nello stratificare la miscela rendendola più ricca nelle vicinanze della candela e più povera vicino allo stantuffo; del brevetto presentato nel 1876, tre rivendicazioni riguardavano la stratificazione della carica, una sola il funzionamento a quattro tempi.
Il motore, rappresentato in vista in fig. 8 ed in sezione in fig. 9, presenta un comando della distribuzione costituito da un albero parallelo all’asse del cilindro, che aziona un cassetto di distribuzione a saracinesca ed una valvola a fungo; il primo serve per l’ammissione di aria e gas e per l’accensione, la seconda serve per lo scarico dei gas combusti.
Un condotto sulla testa, intercettato anch’esso dal cassetto, comunica con un bruciatore ausiliario e serve per l’accensione. Un secondo condotto serve per l’aria di diluizione; un terzo, per il gas combustibile. Durante la corsa d’aspirazione, in un primo tempo è aspirata aria e, solo in un secondo tempo, gas combustibile diluito; in questo modo, considerata la lentezza del motore, si realizza la voluta stratificazione.
La fig. 10 pone a confronto i cicli indicati ottenuti con un motore a quattro tempi, con diverse forme di condotto d’aspirazione, con quelli dei motori a stantuffi liberi e del ciclo Lenoir.
A livello mondiale, furono costruiti, da Otto e dai suoi licenziatari, fra il 1876 ed il 1889, circa 40000 motori del nuovo tipo.
Il brevetto rendeva il concetto dei quattro tempi un’esclusiva dei motori Otto e venne protetto contro ogni contraffazione con grande efficacia, bloccando di fatto altri tentativi simili, in corso presso altri paesi ed in Germania; nel 1884 si scoprì uno scritto pubblicato, ma non brevettato, da Alphonse Beau de Rochas del 1862, che descriveva con grande dettaglio i vantaggi di un ciclo di lavoro a quattro tempi; questo documento fu impugnato da un concorrente di Otto e servì, dopo un lungo processo ad invalidarne i brevetti, che diventarono, di colpo, arte nota.
Mai la buona fede di Otto fu messa in dubbio, né la produzione dei motori Otto subì, per questo, contraccolpi negativi; l’annullamento dei brevetti è però ritenuto da molti un catalizzatore importante, che rese possibili i numerosi sviluppi in campo automotoristico, realizzati negli anni successivi.
I motori di produzione industriale automobilistica
Il primo motore ad accensione comandata, progettato espressamente per l’impiego veicolare, è quello costruito da Gottlieb Daimler (1834 – 1900) e da Wilhelm Maybach (1846 – 1929), entrambi provenienti dalla Deutz, la ditta, nella quale è confluita la Otto & Cie., di cui si parlò nel paragrafo precedente.
L’obiettivo, che essi vollero perseguire, fu quello dell’aumento della potenza specifica e, contemporaneamente, della riduzione del peso. Ciò implicava un progetto strutturale completamente diverso, l’aumento della velocità angolare massima, l’uso di un combustibile liquido, più facilmente trasportabile di quello gassoso.
Il combustibile prescelto fu la ligroina, un distillato del petrolio con tensione di vapore inferiore a quella delle prime benzine; infatti, se la facile evaporabilità semplificava il problema della carburazione, esso poneva, però, problemi di sicurezza di difficile soluzione. Il carburatore fu progettato da Maybach, secondo risultati di studi da lui iniziati, da qualche tempo, presso la Deutz.
Prima di questo tipo di carburatore, del tipo a gorgogliamento, erano, infatti, impiegati carburatori a superficie, nei quali la miscela della benzina con l’aria era effettuata grazie alla bassa tensione di vapore del carburante, facendo passare l’aria direttamente nel serbatoio, su di una superficie di contatto con il carburante, di dimensioni rese sufficientemente ampie; questo sistema poneva problemi di rischio d’incendi non trascurabili, poiché la carburazione poteva avvenire in modo soddisfacente, solo attraverso l’impiego di benzine facilmente evaporabili.
Anche il carburatore di Maybach ( fig. 11 ) era costituito nello stesso serbatoio del carburante, di forma cilindrica ad asse verticale; il pelo libero del carburante era completamente coperto da un galleggiante, anch’esso cilindrico, che recava un tubo di pescaggio, immerso di una quota predefinita. Il motore, mediante la depressione generata dal movimento dello stantuffo, determinava il gorgogliamento dell’aria, aspirata attraverso un foro, che si saturava di vapore di benzina; eventuali gocce trascinate dal moto dell’aria, erano separate da alcuni deflettori a forma di disco. Mediante un rubinetto era possibile regolare la quantità di miscela aspirata dal motore.
Il primo prototipo del motore ( fig. 12 ) risale al 1883; la sua cilindrata è di 212 cm3; la potenza massima ammontava a 0,5 CV a 600 giri/min; la potenza specifica di 2,35 CV/l era ben superiore al valore di 0,5 CV/l a 180 giri/min, raggiunto dai motori stazionari Otto; questa motore, ed i primi suoi derivati, furono soprannominati Standuhr (orologio a pendolo a colonna), dalla insolita forma esterna; la potenza per unità di peso era circa quadrupla rispetto allo stato dell’arte.
La sezione del motore, riportata in fig. 13, mostra alcuni particolari insoliti.
Il cilindro è costituito da un tubo molto sottile, raffreddato ad aria, da una ventola solidale al volano.
La stratificazione della carica è favorita dalla grande lunghezza della corsa ( 1,7 volte l’alesaggio ) ed è ottenuta mediante l’impiego di una seconda valvola di aspirazione, solidale allo stantuffo, che si apre, per contatto con un fermo, al P.M.I., insufflando in camera dell’aria compressa dal carter.
La valvola d’aspirazione della miscela è automatica; la valvola di scarico è comandata in modo desmodromico, da una pista, a doppia spirale, ricavata su una delle pesanti maschette cilindriche, aventi funzione di volano e di riempimento dello spazio morto del carter pompa.
Il carburatore è più ingombrante del cilindro; l’accensione è del tipo ad incandescenza, senza regolazione dell’anticipo, ottenuta mediante un tubo, affacciato sulla camera di combustione, mantenuto al calore rosso, da una fiamma libera, contenuta nella cassetta visibile in primo piano, sulla fig. 12.
Il motore fu impiegato su una motocicletta, per la prima volta, nel 1886; la prima vettura, venduta nel 1889, impiegava invece un motore bicilindrico a V, ricavato dal precedente, con una cilindrata aumentata a 565 cm3.
Alla nascita del motore automobilistico non deve essere trascurato il contributo di miglioramento apportato nei primi anni dai numerosissimi applicatori del motore Daimler e dai licenziatari, fra i quali il più importante fu Panhard e Levassor.
Reso il dovuto omaggio al primo motore e volendo ora compiere un rapido excursus sulle realizzazioni automobilistiche, che seguiranno, fino ad arrivare ai giorni nostri, si è scelto di concentrare l’esame sui motori di un solo Costruttore, in questo caso la Fiat, ritenendo le sue realizzazioni sufficientemente rappresentative dello stato dell’arte raggiunto negli anni seguenti, sia per le tecnologie adottate, sia per la completezza della gamma, sia per l’entità dei volumi prodotti.
Per brevità d’esposizione l’esame tecnico non sarà completo, ma limitato agli esemplari più rilevanti, comprendendo solamente motori con volumi di produzione elevati e senza ambizioni agonistiche. E’ assunto come indicatore del progresso tecnologico la potenza specifica massima e la velocità angolare a cui essa è ottenuta.
Il motore 3 ½ HP del 1899, riportato in fig. 14, è successivo di circa dieci anni rispetto a quello di Daimler e se ne differenzia notevolmente; le prestazioni sono circa doppie e compaiono molti componenti più moderni, quali l’accensione elettrica ed il carburatore a getto; in questi anni vediamo abbandonati i dispositivi dedicati all’ottenimento della carica stratificata, non più necessari, per i miglioramenti attuati sul controllo della combustione.
Il motore è disposto orizzontalmente sotto il pavimento della vettura ed è raffreddato ad acqua; un elemento critico è costituito dalla parziale esposizione dei manovellismi del motore e del comando della distribuzione alle intemperie, cosa per altro comune ai motori dell’epoca, per facilitare la lubrificazione e l’ispezione di questi meccanismi.
La camera di combustione è di tipo cilindrico coassiale e presenta due valvole in testa ad asse orizzontale.
Negli anni immediatamente seguenti il progresso non è molto, almeno in termini di prestazioni specifiche, mentre è in atto, presso quasi tutti i costruttori, un aumento generalizzato delle cilindrate, come indicato dal motore 24/32 HP del 1903, riprodotto in fig. 15.
La camera di combustione di questo motore è più ampia della sezione del cilindro, per contenere le valvole laterali; il motore è costruito con una struttura estremamente massiccia, che ora è diventata di tipo monoblocco, ovvero composta da un unico elemento che comprende la canna e la testa; le canne sono normalmente raggruppate in coppie e, nei motori a sei cilindri a gruppi di tre.
Si noti il comando delle valvole mediante il doppio asse a camme nel basamento e la lunghezza della biella in rapporto all’alesaggio, dettata dal contenimento delle spinte laterali sul mantello dello stantuffo.
Il motore rappresentato in fig. 16 è di concezione notevolmente più moderna: è il 501 del 1919, che presenta delle prestazioni specifiche circa triple rispetto ai predecessori.
Si osservino le valvole laterali allineate, comandate da un asse a camme posto nel basamento, soluzione tecnica che acquisterà grande diffusione e sarà ancora applicata, per le sue doti di economicità, negli anni ’40; la testa e la canna sono ancora solidali, anche se il monoblocco appare di proporzioni più contenute; la biella è ancora eccezionalmente lunga; fa la sua prima comparsa la lubrificazione a pressione.
Nel 1925 nasce il motore 509, riprodotto in fig. 17; le prestazioni subiscono un ulteriore aumento; appaiono, per la prima volta, almeno su un motore commerciale, due elementi caratteristici dei motori moderni: la scomposizione della struttura in testa, basamento e coppa dell’olio e le valvole in testa, in questo caso inclinate e comandate da un albero a camme pure esso in testa. Il miglioramento ottenuto nella forma della camera di combustione permette di adottare un rapporto di compressione di circa 5,4, contro i circa 4,4 dei motori a valvole laterali, a parità di benzina impiegata.
Il motore della Balilla del 1934, in fig. 18, mostra un ritorno all’adozione delle valvole laterali, certamente dovuto all’obiettivo di contenere al massimo i costi, in una vettura che ambiva a grandi volumi di produzione; le dimensioni del manovellismo e degli spessori delle parti fuse si avvicina però ai canoni progettuali dei giorni nostri.
Il motore della 500, del 1949, in fig. 19, segna l’inizio della diffusione su larga scala delle valvole in testa, con comando nel basamento. La potenza specifica aumenta, rispetto ai modelli precedenti; il proporzionamento generale del motore è simile a quello dei motori più moderni, ad eccezione della sopportazione del motore, certamente improntata all’economia. Si noti l’adozione degli stantuffi autotermici.
Il motore 1800 del 1959, in fig. 20, può essere considerato un motore di transizione, poiché vi vediamo adottata una camera di combustione di forma sferica, pur con un comando della distribuzione ancora ad aste e bilancieri.
Consideriamo infine in fig. 21 il motore 125 del 1967, che presenta infine il comando della distribuzione diretta con alberi a camme in testa; le prestazioni raggiunte eguagliano, di fatto, quelle dei motori di oggi.
Se confrontiamo le caratteristiche di questo motore, con quelle del primo motore di Daimler e Maybach, abbiamo un’immagine impressionante del cammino compiuto in circa 80 anni:
- potenza specifica: da 2,3 CV/l a circa 60 CV/l;
- velocità angolare: da 600 giri/min a circa 6000 giri/min;
- rapporto di compressione: da 2,5 a circa 9;
- peso specifico: da 180 kg/CV a 1,35 Kg/CV.
Interrompiamo qui la nostra esposizione, poiché, da questi anni in poi, il progresso tecnologico, che certamente non si è arrestato, non può più essere descritto con i semplici indicatori presi in considerazione.
Infatti, ai giorni nostri, le prestazioni specifiche sembrano aver raggiunto un valore asintotico di poco superiore agli ultimi valori rilevati. Ma ciò è accaduto perché le emissioni ed i consumi hanno assunto una maggiore priorità e, contemporaneamente, come effetto indiretto, si è ridotto il numero d’ottano della benzina; è iniziato un nuovo ciclo di sviluppo, che deve essere misurato con parametri diversi.
Se prendiamo in esame tutti i motori non sportivi, per uso automobilistico, costruiti dalla Fiat dagli inizi agli anni ‘80 e se ordiniamo i loro dati per anno di lancio commerciale, mediando tali dati ogni dieci anni, otteniamo il diagramma di fig. 22 che, salvo una partenza incerta ha un andamento circa lineare.
Sorprendentemente, se consideriamo un possibile tratto a pendenza decrescente fino a raggiungere i giorni nostri, ritroviamo un andamento assimilabile ad una curva logistica, come accade in tutti i processi che beneficiano di un apprendimento.
Cercheremo nel paragrafo successivo di motivare quest’evoluzione e di riconoscerne le diverse cause, utilizzando le indicazioni contenute in manuali di progettazione dei motori, scritti in anni diversi.
Analisi dell’evoluzione tecnologica dei motori automobilistici
Uno dei punti cruciali per il funzionamento dei motori fu la tenuta delle valvole e la loro durata nel tempo; infatti, una valvola, non ermetica, provoca perdite di prestazione ed innesca un processo di rapido deterioramento.
Abbandonate le valvole a cassetto od a rubinetto, furono ovunque applicate le valvole a fungo, che, per un corretto funzionamento, richiedono un perfetto adattamento delle superfici coniche di battuta; questo non poteva essere ottenuto attraverso il controllo delle tolleranze dimensionali di fabbricazione, ma solo attraverso l’aggiustamento in opera della valvola e della sua sede.
Per ottenere quest’adattamento, la valvola, montata provvisoriamente sulla sua sede, era fatta ruotare con un cacciavite, dopo aver cosparso valvola e sede con della polvere abrasiva; era necessario quindi accedere alla valvola per eseguire questa operazione.
D’altra parte, la sede e la guida della valvola dovevano essere preventivamente lavorate ed il motore doveva essere scomposto in modo da garantire accesso ai mandrini di lavorazione. Inoltre, l’inadeguatezza dei materiali, disponibili per le guarnizioni di tenuta, non consentiva di realizzare la testa separatamente dal basamento; la soluzione a questi problemi, comunemente raggiunta, consisteva nel praticare nella testa, di pezzo con il basamento, dei fori d’accesso, che venivano chiusi con tappi, per poter accedere alle sedi delle valvole.
La fig. 23 mostra questa soluzione costruttiva, nelle due varianti con valvole laterali o con una valvola laterale ed una valvola in testa; l’ingombro era tale da aumentare notevolmente le dimensioni della camera di combustione e da non permettere, almeno sui m
