Nel corso del XIX secolo, il rapido sviluppo della motoristica ha avuto un ruolo decisivo per il progresso tecnico e scientifico, dalla Rivoluzione Industriale alla nascita dei moderni sistemi di trasporto. In tale contesto storico, prevalentemente dominato dalle macchine a vapore, venne ideato e progressivamente perfezionato anche il motore a combustione interna. Questo dispositivo, a differenza delle macchine a vapore che utilizzavano sistemi a combustione esterna e il vapore d'acqua come fluido vettore di energia, realizza tutte le trasformazioni di energia, da quella chimica del combustibile a quella meccanica, in un'unica macchina che impiega l'aria come fluido vettore. Essendo privo del generatore di vapore e di altri apparati di notevole ingombro, il motore a combustione interna risulta più compatto e leggero, motivo per cui è diventato nel corso della sua evoluzione il sistema più conveniente e prevalente in quasi tutti gli ambiti di utilizzo, soprattutto nei moderni mezzi di trasporto e nella maggior parte delle applicazioni industriali, ad eccezione delle grandi centrali termoelettriche.
I Precursori e i Primi Tentativi
Tra la fine del '700 e la prima metà dell'800, alcuni studiosi e inventori si interessarono ai sistemi a combustione interna. Questi primi tentativi spaziarono dalla pistola di Alessandro Volta, che utilizzava la combustione di una miscela di gas innescata da un arco elettrico, fino alla costruzione di macchine rudimentali, come quella proposta dal francese François Issac de Rivaz nel 1804. Il motore di De Rivaz, progenitore di una stirpe di realizzazioni abbastanza simili fra loro, era costituito da uno stantuffo, libero di muoversi in un cilindro verticale. Un certo quantitativo di gas povero poteva essere introdotto nella camera di combustione, a pressione atmosferica, ed essere incendiato con una scintilla elettrica. Il peso proprio e la pressione esterna facevano poi ritornare, più lentamente, il pistone nella posizione iniziale; tutta l'energia liberata dalla combustione, trasformata in energia potenziale, a meno delle perdite, poteva essere trasformata in lavoro utile, durante la corsa di discesa del pistone. 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, con uno stantuffo che aveva un alesaggio di circa 365 mm e una corsa di 1500 mm. È impossibile identificare un'unica persona come l'inventore del motore a combustione interna; numerosi furono i tentativi e le soluzioni tecniche provate.
L'Invenzione Italiana: Barsanti e Matteucci
Non in molti sanno che il motore a scoppio, o più correttamente a combustione interna, è un'idea tutta italiana. I primi che riuscirono a realizzare un motore a combustione interna con funzionamento continuo e automatico furono i lucchesi Eugenio Barsanti e Felice Matteucci. Barsanti, sacerdote scolopio e professore di meccanica e idraulica presso l'istituto Ximeniano di Firenze, aveva iniziato i suoi studi sulla combustione a volume costante dei gas nel 1843. Insieme a Matteucci, ingegnere, condussero studi comuni sulla combustione dei gas a partire dal 1851. Il 5 giugno 1853, depositarono una memoria sigillata presso l'Accademia dei Georgofili per stabilire una priorità ufficiale. A partire dal primo prototipo del 1853, di tipo atmosferico, perfezionarono la loro invenzione ottenendo motori con differenti caratteristiche costruttive, descrivendo gli stessi in varie pubblicazioni, certificazioni tecniche e brevetti. Il primo modello fu costruito nel 1853 presso la ditta Pietro Benini di Firenze per attività sperimentale. Si trattava del primo vero motore a combustione interna, costituito nella sua realizzazione più semplice da un cilindro verticale in cui un'esplosione di una miscela di aria e idrogeno o di un gas illuminante proiettava verso l'alto un pistone, creando così il vuoto nello spazio sottostante. Questo dispositivo fu pensato per essere più sicuro ed economico rispetto alla forza vapore, allora predominante.
Per tutelare i risultati ottenuti, Barsanti e Matteucci chiesero e ottennero nel 1854 un primo certificato di protezione, n. 1072, nel Regno Unito. Nel 1856, un motore conforme a tale documento fu costruito e utilizzato nelle officine meccaniche della Ferrovia Maria Antonia di Firenze per azionare una forbice e un trapano. Ottennero il primo brevetto in Inghilterra il 13 maggio 1854, seguito da molti altri in diversi stati, tra cui il brevetto piemontese del 1857 e quello del 1861, quest'ultimo con la collaborazione di Giovanni Battista Babacci. Quest'ultimo brevetto fu poi utilizzato come base per costruire il motore della ditta Escher Wyss di Zurigo ed esposto durante la prima Esposizione Nazionale di Firenze del 1861.
Il motore ideato dai due inventori funzionava comprimendo una miscela di aria e gas all’interno di un cilindro. Una scintilla, poi, innescava l’accensione, generando un’esplosione che spingeva il pistone. Il motore era realizzato mediante stantuffi liberi di muoversi sotto l'azione esercitata dai prodotti della combustione; in questo caso, l'asta dello stantuffo era collegata mediante un accoppiamento a cremagliera a una puleggia, collegata a sua volta, mediante un arpionismo, all'albero. Lo stantuffo era lanciato, dall'energia della combustione, verso l'alto e arrestava la sua corsa quando la forza d'inerzia della sua massa era 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, iniziava la corsa di ritorno, sotto l'azione della depressione e della forza peso. Allo stesso albero era collegato, mediante un manovellismo che agiva su di un giogo, un secondo stantuffo, o controstantuffo. Lo scarico avveniva attraverso le luci scoperte dal cassetto di distribuzione e consisteva nel trasferimento dei gas dalla camera di combustione alla camera individuata dalla faccia inferiore del controstantuffo e dal fondo del cilindro. L'accensione, di tipo elettrico, avveniva per lo scintillio provocato da un elettrodo a perno. Il cilindro possedeva un'intercapedine di raffreddamento ad acqua e due candele d'accensione affacciate sulle due camere di combustione; la scintilla d'accensione era generata dalla tensione di una batteria, innalzata da un rocchetto di Ruehmkorff.
Barsanti e Matteucci affidarono la costruzione dei loro motori a varie aziende meccaniche, non solo italiane, tra cui la Escher Wyss di Zurigo. Nel corso degli anni si impegnarono nella promozione dei loro motori ricevendo vari riconoscimenti e tentarono di avviarne la produzione in serie per la commercializzazione in vari paesi. La scomparsa di Barsanti nel 1864 e le alterne condizioni di salute di Matteucci posero fine alla loro attività nello stesso periodo in cui altri inventori riuscirono a realizzare e commercializzare i loro motori.
La Competizione Internazionale e l'Offuscamento della Primogenitura
Quelli che ebbero maggiore successo tecnico e commerciale, offuscando a lungo la primogenitura dell'invenzione di Barsanti e Matteucci, furono i tedeschi Nikolaus Otto ed Eugen Langen. Otto, interessato al miglioramento della combustione del motore Lenoir, allo scopo di renderla più graduale e controllabile, incontrò Eugen Langen nel tempo in cui provava il suo primo prototipo. Insieme fondarono nel 1864 la Otto & Cie. (oggi diventata Kloeckner-Humboldt-Deutz A.G.) per lo sfruttamento industriale del motore a stantuffi liberi. Il motore di Otto, rappresentato in vista e in sezione, aveva un condotto sulla testa, intercettato anch'esso da un cassetto, che comunicava con un bruciatore ausiliario e serviva per l'accensione. Un secondo condotto serviva per l'aria di diluizione; un terzo, per il gas combustibile. Otto progettò una versione del motore a scoppio ideale per la produzione in serie e propose anche un motore definito a quattro tempi che funzionava in questo modo: prima aspirava, poi comprimeva, avveniva lo scoppio e infine scaricava.
I primi motori a combustione, però, non vennero utilizzati per far funzionare le auto, in quanto per partire avevano bisogno di una spinta. Dal 1899 si videro applicare le frizioni, che consentivano di azionare il veicolo anche da fermo. Successivamente, l'azienda di automobili tedesca Daimler creò una tipologia di motore che utilizzava la combustione, meno pesante ma più performante, il quale venne utilizzato anche sulla prima automobile di Carl Benz, brevettata in Germania nel 1886.
Il Funzionamento del Motore a Combustione Interna (Motore a Scoppio)
Il motore a scoppio, o più correttamente, a combustione interna, è una macchina che permette di trasformare l’energia chimica propria di una miscela tra l’aria e un combustibile in energia meccanica, resa poi disponibile per gli utilizzi più disparati. I combustibili utilizzati sono di norma composti da idrocarburi, come la benzina, il gasolio, il GPL o il metano, mentre l’ossigeno presente nell’aria fa da comburente.
La camera di combustione è il luogo in cui avviene la conversione tra energia chimica e meccanica. Nei motori a quattro tempi, che sono quelli più diffusi, i gas vengono aspirati attraverso apposite valvole e compressi una volta che queste ultime si sono chiuse. Ciò dà luogo alla combustione: i gas si espandono e generano una pressione che spinge verso il basso il pistone; questo agisce sulla biella, che a sua volta mette in rotazione l’albero motore. Risalendo, il pistone spinge infine i gas fuori dalla camera attraverso le valvole di scarico, prima che queste si chiudano e il ciclo ricominci con una nuova fase di aspirazione.
Il motore a combustione interna permette di trasformare l’energia chimica dell’aria e del carburante in lavoro meccanico, diventando la forza propulsiva di veicoli e macchinari.
L'Evoluzione dei Motori a Benzina: Un Percorso Tecnologico
L'obiettivo principale nello sviluppo dei motori a combustione interna è stato l'aumento della potenza specifica e, contemporaneamente, la riduzione del peso. Il combustibile prescelto per i primi motori automobilistici fu la ligroina, un distillato del petrolio con tensione di vapore inferiore a quella delle prime benzine. Se la facile evaporabilità semplificava il problema della carburazione, essa poneva però problemi di sicurezza di difficile soluzione.
Il carburatore di Maybach 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.
I primi prototipi di automobile risalgono al lontano 1880, e i motori di questi veicoli erano a vapore, sostituendo il lavoro svolto dagli animali che trainavano i carri. La prima automobile con motore a scoppio fu brevettata in Germania da Carl Benz nel 1886. I primi motori che funzionavano grazie alla combustione, però, non vennero utilizzati per far funzionare le auto, in quanto per partire avevano bisogno di una spinta.
L'esame tecnico dell'evoluzione dei motori a benzina è vasto, ma limitandoci agli esemplari più rilevanti con volumi di produzione elevati e senza ambizioni agonistiche, possiamo tracciare un percorso. Il motore 3 ½ HP del 1899 segna un inizio. Negli anni immediatamente seguenti il progresso non fu molto in termini di prestazioni specifiche, ma si assistette, presso quasi tutti i costruttori, a un aumento generalizzato delle cilindrate, come indicato dal motore 24/32 HP del 1903.
Un esempio significativo è il motore 509, nato nel 1925, che vide le prestazioni subire un ulteriore aumento. Appaiono, per la prima volta 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 anch'esso in testa.
Il motore della Balilla del 1934 rappresenta un altro passo avanti. Il motore della 500, del 1949, 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.
Il motore 1800 del 1959 e, infine, i motori più recenti, mostrano che le prestazioni specifiche sembrano aver raggiunto un valore asintotico di poco superiore agli ultimi valori rilevati. Se prendiamo in esame tutti i motori non sportivi per uso automobilistico costruiti dalla Fiat dagli inizi agli anni '80 e ordiniamo i loro dati per anno di lancio commerciale, mediando tali dati ogni dieci anni, si può osservare il diagramma che mostra la progressione.
D’altra parte, la sede e la guida della valvola dovevano essere preventivamente lavorate e il motore doveva essere scomposto in modo da garantire accesso ai mandrini di lavorazione, sottolineando la complessità delle prime lavorazioni e la progressiva semplificazione ed efficientamento dei processi produttivi.
La Memoria e la Tutela dell'Invenzione Italiana
La memoria del fatto storico della primogenitura di Barsanti e Matteucci è oggi tutelata dalla Fondazione Barsanti e Matteucci e dal Museo del Motore a Scoppio di Lucca ad essi intestato, attraverso molteplici attività di promozione e collaborazione con numerosi enti pubblici e privati, tra cui il Museo Storico dei Motori e dei Meccanismi. Quest'ultimo ospita l’esposizione in comodato del modello in scala del primo motore ideato da Barsanti e Matteucci, nell’ambito di un accordo di collaborazione avviato nel 2025. Presso il Museo Nazionale della Scienza e della Tecnologia a Milano, è esposto uno dei primi modelli di questo motore, con il brevetto dei due fisici Matteucci e Barsanti. Possono essere ammirati alcuni modelli del motore a scoppio in grande scala, oltre a riproduzioni di documenti originali, presso il Museo del motore a scoppio Barsanti e Matteucci, ubicato in via Sant’Andrea n.58, a Lucca, ad ingresso gratuito.
Nel 2022, il Club Moto d’Epoca Fiorentino (CMEF) ha avviato un progetto di ricostruzione storica del motore, in occasione del 170° anniversario dell’invenzione. Il team, formato da esperti e appassionati, ha dedicato oltre 5.000 ore di lavoro volontario per riprodurre fedelmente la macchina. Padre Eugenio Barsanti, ispirandosi agli studi di Alessandro Volta, riuscì a costruire artigianalmente e poi mostrò ai suoi alunni delle Scuole Pie Volterra la pistola di Volta, un congegno con cui riusciva ad ottenere una esplosione di una miscela gassosa contenente metano o idrogeno ed aria, innescata da due elettrodi. Questa esperienza lo condusse a capire che il miscuglio esplosivo poteva diventare una forza motrice.
