Eravamo andati a cercare funghi e abbiamo trovato un decespugliatore. Stava dietro un castagno, con la testina piena d'erba e l'aria di aver litigato con tutti i suoi proprietari. Uno di noi l'ha chiamato drago col manico. Un altro ha chiesto dove si mettessero i ceci. Il nostro reparto meccanico partiva fortissimo.
L'abbiamo lasciato spento e abbiamo cercato targhetta e manuale. Una macchina abbandonata va controllata, non svegliata con uno strappo alla corda tanto per vedere. Intanto aveva già acceso qualcos'altro: una domanda. Come cavolo fa un liquido a far girare un pezzo di ferro?
La sera ci siamo ritrovati a tavola, noi folletti, con pane, una borraccia di vino e il disegno del motore tra le briciole. Il decespugliatore era rimasto da parte. Avevamo quella fiducia da dopocena che ti permette di spiegare l'universo senza trovare i tuoi occhiali. Stavolta però volevamo capirci qualcosa. Ci siamo messi a scervellarci sul serio. Dire «combustione» con la voce profonda non bastava.
Come trasforma un motore a benzina il carburante in movimento?
Un motore a benzina trasforma parte dell'energia chimica del carburante in movimento. La benzina si mescola con l'aria e una scintilla accende la miscela dentro un cilindro. La combustione aumenta temperatura e pressione dei gas, che spingono un pistone. Una biella trasmette quella spinta a un albero motore e lo fa ruotare. Poi escono i gas bruciati, entra una carica fresca e il ciclo ricomincia.
Il percorso completo è questo: energia chimica, gas caldi, spinta, rotazione. La scintilla avvia la reazione. Quasi tutta l'energia viene dal carburante che reagisce con l'ossigeno dell'aria. La candela può mettersi il cappello da direttore. L'orchestra la paga la benzina.
C'è una parola da sistemare. Si parla spesso di piccole esplosioni, ma in un normale motore a benzina cerchiamo una combustione rapida e controllata: una fiamma che attraversa la miscela. La detonazione incontrollata è un'altra faccenda e può danneggiare il motore. Anche noi distinguiamo una bella festa dalla cucina che salta in aria.
Cinque pezzi per togliersi quell'espressione da fungo
Il cilindro è lo spazio in cui si muove il pistone. La testata lo chiude in alto. Il pistone sale e scende al suo interno. Ha delle fasce elastiche che aiutano a trattenere i gas. Se la pressione scappasse allegra dai lati, perderemmo una buona parte della spinta.
Sotto troviamo la biella, un collegamento articolato, e l'albero motore. Il perno a cui si collega la biella è spostato rispetto all'asse centrale di rotazione. Quel dettaglio cambia tutto. La biella spinge sul perno decentrato e produce una rotazione, proprio come premere sul pedale di una bicicletta. Spingere sul centro dell'asse non darebbe lo stesso braccio di leva.
Lì ci si è accesa la lampadina. Il pistone va su e giù, ma spinge un punto che gira. Nessun altro motorino nascosto sotto. Geometria fatta bene. Abbiamo provato a mostrarlo con un cucchiaio e un tappo, poi abbiamo perso il tappo per dieci minuti.
Anche la benzina va preparata. Il carburatore dosa il carburante e lo disperde nell'aria in ingresso. Altri motori usano gli iniettori. A bruciare è carburante vaporizzato mescolato con ossigeno, quindi un getto di liquido a caso non risolve niente. Bisogna riempire uno spazio, comprimerne il contenuto, accenderlo al momento giusto e far uscire i resti. Ripetutamente, senza che i pezzi decidano di andarsene ognuno per conto suo.
Chi dà la prima spinta e chi conserva lo slancio
Prima della prima combustione qualcuno deve muovere il meccanismo. In molti decespugliatori, la corda di avviamento fa girare l'albero motore. In un'auto di solito lo fa un motorino elettrico. Una volta avviato, il motore riceve dalle combustioni l'energia per continuare.
Il volano è una massa rotante. Conserva parte dell'energia di ogni spinta e la restituisce tra una combustione e l'altra. Così l'albero continua a girare anche mentre comprime la carica successiva. Il volano non crea energia. La distribuisce nel tempo. Ne vorremmo uno per la voglia di lavare i piatti.
Anche la scintilla ha il suo impianto. Il sistema di accensione produce un'alta tensione alla candela. Molte macchine piccole usano magneti sul volano e una bobina, senza batteria. In un comune motore a carburatore, l'acceleratore apre una farfalla che lascia passare più aria e miscela. Può bruciare più carburante e aumentare la forza prodotta. Il regime dipende anche dal carico che il motore deve trascinare.
Quattro tempi per fare tutto il lavoro
Un tempo è una corsa del pistone da un'estremità all'altra del cilindro. Non significa un secondo, un cilindro o una marcia. Partiamo da un quattro tempi a benzina semplice, con carburatore o iniezione nel condotto di aspirazione. Le valvole fanno da porte, mentre l'albero a camme ne coordina l'apertura.
- Aspirazione, il pistone scende. Si apre la valvola d'ingresso. Lo spazio disponibile aumenta e la differenza di pressione permette alla miscela aria-benzina di entrare. La valvola di scarico rimane chiusa.
- Compressione, il pistone sale. Entrambe le valvole sono chiuse. La carica occupa un volume più piccolo, quindi pressione e temperatura aumentano. Verso la fine arriva la scintilla, normalmente un po' prima del punto più alto, perché la combustione richiede tempo.
- Espansione, il pistone scende. I gas caldi lo spingono. Le valvole restano chiuse durante la parte principale della corsa. Questa è la spinta che fornisce lavoro all'albero motore.
- Scarico, il pistone sale. Si apre la valvola d'uscita e il pistone espelle i gas bruciati. Il cilindro si prepara per la carica successiva.
Quattro corse del pistone richiedono due giri dell'albero motore. Ogni cilindro ha una corsa utile di espansione ogni due giri. Con più cilindri, le spinte possono essere distribuite. Lo schema semplifica la fasatura: nei motori reali le valvole possono aprirsi in anticipo, chiudersi dopo e restare brevemente aperte insieme.
Uno di noi ha alzato il bicchiere. «Tre corse per preparare e una per spingere?» Esattamente. Anche il lavoro meccanico vuole qualcuno che gli apparecchi la tavola. La spiegazione di Briggs & Stratton segue queste quattro corse.
Il nostro decespugliatore fa tutto in due tempi
Il manuale ci ha dato la risposta: il nostro era un due tempi classico. Molti decespugliatori funzionano così, anche se esistono modelli a quattro tempi. Aspirazione, compressione, combustione e scarico servono comunque. Si sovrappongono per stare in un solo giro dell'albero motore, una salita e una discesa. Una corsa utile a ogni giro non significa automaticamente il doppio della potenza.
Il trucco avviene sulle due facce del pistone. Salendo, comprime la carica già intrappolata nel cilindro. Sotto, intanto, aumenta lo spazio nel carter e viene aspirata miscela fresca. Vicino al punto più alto scocca la scintilla.
Scendendo, il pistone riceve la spinta della combustione e comprime la carica fresca nel carter. Più in basso scopre prima la luce di scarico e poi i condotti di travaso. I gas bruciati iniziano a uscire. La miscela dal carter passa nel cilindro e aiuta a spazzarli fuori. È il pistone stesso a coprire e scoprire queste aperture. Il disegno mostra una versione semplice con ammissione al carter tramite valvola lamellare.
Il carter sta lavorando da pompa. Lo stesso pistone fa due mestieri, uno sopra e uno sotto. Noi ci abbiamo messo un pomeriggio a capirlo. Lui può ripetere la faccenda migliaia di volte al minuto. Abbiamo deciso di non proporgli una gara.
L'olio, l'erba e tutto quel baccano
In questo due tempi, l'olio adatto viaggia insieme al carburante, lubrifica i componenti interni e alla fine brucia. La proporzione la stabilisce il manuale. Un quattro tempi convenzionale di solito ha l'olio separato. Esistono però anche quattro tempi lubrificati con miscela, come questo sistema STIHL. Contare i tempi non basta per sapere cosa versare nel serbatoio.
La rotazione raggiunge la testina attraverso la trasmissione. Molti decespugliatori hanno una frizione centrifuga che collega motore e albero di trasmissione quando salgono i giri. L'albero porta il movimento lungo il tubo e, secondo il progetto, degli ingranaggi lo trasmettono alla testina. L'erba riceve il risultato di tutta la catena.
C'è anche il calore da smaltire. Parte dell'energia esce coi gas di scarico, altra si disperde attraverso raffreddamento e attriti. In molte macchine piccole aiutano le alette e l'aria in movimento. Non tutto quello che mettiamo nel serbatoio diventa lavoro utile. Il rumore non è un'unità di rendimento, anche se il vicino con la marmitta fracassona sostiene il contrario.
Che differenza c'è tra un motore a benzina e un diesel?
La differenza principale è il modo in cui inizia la combustione. In un motore a benzina convenzionale, una candela accende la miscela di aria e carburante. Un diesel comprime prima aria senza carburante fino a renderla molto calda. Poi inietta gasolio, che si accende in quell'aria calda senza scintilla di candela. Entrambi possono funzionare a quattro tempi. Il carburante e il numero di tempi sono due caratteristiche diverse.
La compressione scalda l'aria perché il pistone compie lavoro su di essa. Il diesel sfrutta quel calore per accendere il carburante iniettato. Le candelette presenti in molti diesel aiutano soprattutto nell'avviamento a freddo e durante il riscaldamento. Non sono candele che producono una scintilla a ogni ciclo. Lo raccontano il Dipartimento dell'Energia statunitense e la documentazione dei sistemi a candelette Bosch.
| Cosa confrontiamo | Benzina convenzionale | Diesel convenzionale |
|---|---|---|
| Inizio della combustione | Scintilla di una candela | Carburante iniettato in aria molto calda per la compressione |
| Preparazione della carica | Aria e carburante si mescolano prima dell'accensione | Prima si comprime l'aria, poi si inietta il carburante |
| Alimentazione | Carburatore o iniezione, anche diretta | Iniezione nell'aria compressa |
| Ciclo | Due o quattro tempi | Esistono anche diesel a due e a quattro tempi |
Un'altra trappola: un iniettore non trasforma un motore in diesel. I motori a benzina con iniezione diretta continuano a usare le candele. E benzina e gasolio non sono intercambiabili. Cambiano le loro proprietà e i sistemi progettati per bruciarli.
Il numero di ottano della benzina misura la resistenza a un'autoaccensione indesiderata, non cavalli imbottigliati. Un numero più alto non garantisce più potenza in qualsiasi motore. L'EIA spiega quel valore. Un diesel spesso sfrutta bene il carburante grazie al progetto e alle condizioni di funzionamento, ma confrontare i consumi richiede motori e impieghi precisi.
Un brindisi a chi finalmente ci ha capito qualcosa
Torniamo al disegno per fare il punto. Aria e carburante. Compressione. Scintilla, oppure aria abbastanza calda nel diesel. Gas che spingono, biella che trasmette, albero che gira. Due giri per il ciclo a quattro tempi. Uno per il nostro due tempi. Adesso riusciamo a seguire il percorso senza nasconderci dietro una parola grossa.
Il vino fa un altro giro e qualcuno dice che un motore è fuoco a cui hanno insegnato a girare in tondo. La frase ci piace. Poi guardiamo fasce, valvole e condotti. Quel fuoco ha una squadra bella numerosa che gli tiene in ordine la giornata.
Ci era successo anche davanti alle aurore boreali: conoscere il meccanismo aggiunge stupore. E avevamo di nuovo perso la cognizione del tempo creando, tra disegni, domande e briciole. Il decespugliatore non si è avviato. Noi siamo usciti di lì accesi.
