Dentro il cilindro

Un motore d'auto ha un solo compito: trasformare il calore della combustione del combustibile nella rotazione di un albero. Quasi tutte le auto a benzina e diesel lo fanno con lo stesso meccanismo, ripetuto in diversi cilindri: un pistone che scorre su e giù in un tubo e un sistema che trasforma questo movimento rettilineo in rotazione.

Le parti principali di un cilindro, dall'alto verso il basso:

• Cilindro e testata. Il tubo in cui scorre il pistone, chiuso in cima dalla testata. Lo spazio tra il pistone e la testata è la camera di combustione.
• Valvole. Due o più piccole porte nella testata: le valvole di aspirazione fanno entrare aria fresca (e, in molti motori, combustibile); le valvole di scarico fanno uscire i gas combusti. Un albero a camme rotante le spinge ad aprirsi al momento giusto.
• Candela (motori a benzina). Produce una scintilla che accende il combustibile e l'aria.
• Pistone. Lo stantuffo. Le fasce intorno sigillano lo spazio tra il pistone e la parete del cilindro.
• Biella. Un'asta robusta che collega il pistone all'albero motore. Oscilla mentre si muove.
• Albero motore. Un albero con una parte spostata rispetto al centro, il manovellismo. Quando il pistone spinge la biella, la biella fa ruotare il manovellismo lungo una circonferenza, come un piede che fa girare il pedale di una bicicletta.
• Volano. Un disco pesante all'estremità dell'albero motore che immagazzina energia di rotazione.

La corsa è la distanza percorsa dal pistone tra il suo punto più alto, il punto morto superiore (TDC), e il suo punto più basso, il punto morto inferiore (BDC). Il raggio di manovella si trova a una distanza r dal centro dell'albero, quindi il pistone si muove verso l'alto di r e verso il basso di r in mezzo giro: corsa = 2r.

L'altezza del pistone deriva dalla geometria della manovella e della biella. Con l'angolo di manovella θ misurato dal TDC e una biella di lunghezza l, la distanza dal centro dell'albero allo spinotto del pistone è x(θ) = r cos θ + √(l² − r² sin² θ). Non devi fare calcoli con questa formula, ma osserva cosa ci dice: ogni posizione del pistone è determinata dall'angolo di manovella. Gira la manovella e tutto il motore si muove; nulla può essere fuori fase.

Il pistone non ruota. Scorre in linea retta; la biella oscilla da un lato all'altro; solo l'albero motore gira. Inoltre, il pistone si ferma davvero per un istante in alto e in basso, quando cambia direzione, e si muove alla massima velocità intorno al centro di ogni corsa.

Due misure descrivono un motore. Il volume spazzato (cilindrata) di un cilindro è l'area del pistone moltiplicata per la corsa: V = (π/4) × bore² × stroke. Con un alesaggio e una corsa di 86 mm ciascuno, V = (π/4) × 0.086² × 0,086 ≈ 0,0005 m³ = 0,5 litri, quindi quattro cilindri di questo tipo formano un motore da 2,0 litri.

Il rapporto di compressione confronta i volumi massimo e minimo che il gas può avere: CR = (V_swept + V_clearance) / V_clearance, dove il volume residuo è quello che rimane sopra il pistone al TDC. Se un cilindro spazza 500 cm³ e in alto rimangono 50 cm³, CR = 550 / 50 = 11 : 1.

Quanto velocemente si muove il pistone? La sua velocità media è 2 × corsa × (giri al secondo). A 6 000 rpm (100 rev/s), con una corsa di 86 mm, è 2 × 0,086 × 100 ≈ 17 m/s, circa 62 km/h, mentre sale e scende centinaia di volte al secondo. Questo è uno dei motivi per cui esiste un limite alla velocità a cui i motori possono girare in sicurezza.