Da Benz a Otto: il destino pieno secolo del motore a combustione interna

Il percorso ingegneristico centenario del motore a combustione interna, dal motore a quattro tempi di Nikolaus Otto al Patent-Motorwagen di Benz.
Il percorso ingegneristico centenario del motore a combustione interna, dal motore a quattro tempi di Nikolaus Otto al Patent-Motorwagen di Benz.

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La storia del motore a combustione interna inizia di fatto nel 1876, con il motore a quattro tempi compresso di Nikolaus Otto; lo trasforma in un'automobile il Patent-Motorwagen di Karl Benz nel 1886, e il secolo che segue è una corsa all'ingegneria protrattasi attraverso l'architettura dei cilindri, le crisi di efficienza e vicoli come turbo e diesel. Questo articolo segue quel secolo con una narrazione cronologica basata su fonti d'archivio.

Punti salienti

  • Il brevetto del ciclo a quattro tempi fu depositato nel 1862 da Alphonse Beau de Rochas; il primo motore pratico fu costruito da Otto nel 1876.
  • Il primo brevetto per un'automobile: 29 gennaio 1886, Benz Patent-Motorwagen, numero di brevetto 37435.
  • Con l'annullamento del brevetto di Otto, nel 1889 oltre 50 aziende producevano lo stesso progetto.
  • In Europa la quota di mercato del diesel era del 52% nel 2015, per poi scendere al 18% nel 2023.
  • La BMW 2002 Turbo, due anni prima della Porsche 911 Turbo, fu la prima automobile turbo prodotta in serie in Europa.

Da Lenoir a Otto: Perché il Motore a Quattro Tempi fu una Rivoluzione?

Il punto di partenza della narrazione in realtà non è Otto, ma la migliore soluzione precedente. Nel 1860 Étienne Lenoir aveva prodotto un motore a combustione interna a doppio effetto alimentato a gas illuminante; ma la macchina era sia ingombrante sia inefficiente: da un volume di 18 litri si ricavavano solo 2 CV (circa 1,5 kW), e tre quarti del carburante andavano sprecati. Nikolaus Otto, commesso viaggiatore, conobbe questo motore attraverso un annuncio su un giornale e nel 1861 ne testò una copia. Ciò che il test gli insegnò era semplice ma decisivo: la compressione della miscela di carburante prima della combustione era la chiave dell'efficienza. Il suo primo tentativo compresso nel 1862 fallì perché il motore fu distrutto nel giro di pochi minuti; ma l'idea era giusta.

Ed è proprio qui che si verifica l'evento brevettuale più ironico della storia dell'automotive. Il brevetto del ciclo a quattro tempi - aspirazione, compressione, espansione e scarico; quattro corsie del pistone in due giri del motore - era stato depositato nel 1862 dall'ingegnere francese Alphonse Beau de Rochas, ma non aveva mai costruito la macchina. Poiché il motore fu costruito per primo da Otto, il ciclo oggi porta il suo nome. Otto aprì la strada passo dopo passo attraverso la società fondata con il figlio e con Eugen Langen nel 1864, la prima azienda al mondo di motori a combustione interna, la NA Otto & Cie: all'Esposizione Universale di Parigi del 1867 il suo motore atmosferico vinse la medaglia d'oro; questa macchina, che consumava meno della metà del gas dei motori rivali, produceva un rendimento del 12% e 0,5 CV. L'azienda si trasferì a Deutz nel 1869 e prese il nome di Gasmotoren-Fabrik Deutz - l'attuale Deutz AG, il più antico produttore di motori al mondo.

Il vero balzo arrivò dopo 14 anni di ricerca e sviluppo: il 9 maggio 1876 Otto creò il motore a quattro tempi funzionante con il principio del carico compresso. Con il metodo da lui denominato carico stratificato, che rendeva la combustione controllata, questo progetto raggiunse nello stesso autunno la maturità commerciale come motore Rings-Schumm e divenne la prima macchina commercialmente di successo a utilizzare la compressione all'interno del cilindro. Grazie all'affidabilità, all'efficienza e al funzionamento relativamente silenzioso, nei 10 anni successivi furono prodotti oltre 30.000 motori a ciclo Otto. Il salto tecnico rivelato dalla cifra è chiaro: il passaggio alla compressione portò l'efficienza, tra il 1880 e il 1890, da %5 a %15; un triplice miglioramento rispetto ai motori dell'era del vapore, fermi sotto il %5. Il ciclo a quattro tempi con accensione a scintilla aziona ancora oggi la maggior parte delle automobili sulle strade.

Anche il finale legale della storia è istruttivo. Nel 1886, con l'emergere del brevetto dalla data anteriore di Beau de Rochas, il brevetto di Otto fu annullato; la Deutz non riuscì a dimostrare in tribunale che il proprio sistema di carico stratificato fosse diverso dal brevetto francese. Il risultato fu liberatorio dal punto di vista ingegneristico: Arrivati al 1889, oltre 50 aziende producevano motori di progetto Otto. Questa classica tensione tra invenzione pratica e priorità brevettuale aprì le porte a tutta l'industria dell'epoca. Anche una parte della discussione è ancora viva: In Francia il ciclo è talvolta chiamato "ciclo di Beau de Rochas", e altri indicano il contributo di Reithmann - i contributi dei tre inventori non sono alternative, ma complementari tra loro.

La strada verso l'automobile: Daimler, Maybach e la Patent-Motorwagen di Benz

Otto voleva motori grandi e fissi; il direttore tecnico della Deutz, Gottlieb Daimler, e il progettista capo Wilhelm Maybach miravano invece a rendere il motore trasportabile, cioè abbastanza piccolo da poter essere montato sui veicoli. Questa differenza di filosofia produttiva portò i due a lasciare l'azienda nel 1882. Il frutto della separazione arrivò presto: Nel 1883 un motore piccolo ed efficiente da 0,5 hp, e nel 1885 il primo motore a benzina ad alto regime, soprannominato "Grandfather Clock". Il Daimler Reitwagen, costruito attorno a questo motore, fu il primo veicolo a motore con motore a combustione interna.

Ma l'atto di nascita dell'automobile non fu firmato a Colonia, bensì a Mannheim. Karl Benz passò alla storia con il brevetto numero 37435, depositato il 29 gennaio 1886 per un "veicolo a motore a gas". La Benz Patent-Motorwagen, completata nel 1885; era un veicolo a tre ruote, di costruzione leggera, spinto da un motore monocilindrico a benzina, e portava con sé due titoli: la prima vera automobile spinta da un motore a combustione interna a benzina e la prima automobile prodotta in serie. Prima di Benz, naturalmente, la pagina non era vuota - i tentativi di veicoli a motore duravano da quasi un secolo, compreso il veicolo a vapore di Nicolas-Joseph Cugnot del 1769; ma solo con la benzina e il telaio leggero di Benz la linea che va dalla macchina di Lenoir, efficiente al 4%, al ciclo compresso di Otto arrivò sulle strade.

Va anche ricordato il contributo della Deutz a questa catena: Il carburatore sviluppato nel 1884 e l'affidabile sistema di accensione a bassa tensione permisero per la prima volta l'uso del carburante petrolifero liquido nei motori. Il carburante dell'automobile nacque come sottoprodotto tecnico. La linea di Daimler e Maybach fu invece coronata alla fine degli anni 1890 dall'automobile sviluppata per Emil Jellinek: Il motore da 35 hp che portava il veicolo a circa 90 km/h portava il nome di Mercedes, la figlia di Jellinek. Il giudizio dell'epoca era spietato: la prima automobile di Benz negli anni 1880 era un'alternativa peggiore di un cavallo; ma il progresso che essa avviò si approfondì ininterrottamente per un secolo.

Architettura dei Cilindri: Cosa Raccontano gli Assetti Inline, V e Flat?

Finché il ciclo Otto rimase stabile, la competizione di un secolo ruotò in gran parte su come disporre i cilindri. Esistono tre assetti fondamentali e ognuno risponde a una diversa priorità ingegneristica:

  • Inline (in linea): i cilindri sono disposti in un'unica fila. È semplice ed equilibrato; il prezzo è la lunghezza: a parità di numero di cilindri occupa un blocco decisamente più lungo rispetto all'assetto a V.
  • V: i cilindri sono disposti in modo angolato su due bancate; un V8 è tipicamente configurato con un angolo di 60°–90°, con due bancate da quattro cilindri ciascuna. Riduce la lunghezza e consente un vano motore compatto.
  • Flat (a cilindri opposti): l'angolo tra le bancate è di 180°. Con il baricentro basso e l'equilibrio delle vibrazioni offre un profilo equilibrio-prestazioni differente nelle applicazioni orientate alle prestazioni.

Anche la corrispondenza storica di questo triangolo si delinea: nel periodo prima e dopo la guerra le cilindrate e il numero di cilindri crebbero; Arrivati agli anni '70, il motore predefinito del mercato americano era quasi completamente il V8. Le crisi petrolifere che vedremo di seguito generarono la pressione che capovolse queste scelte architetturali da un giorno all'altro.

L'Epoca dell'Automobile Compatta del Dopoguerra: Beetle, Fiat 500 e Mini

Dopo le due guerre mondiali la storia del motore si scrisse non in grande, ma in piccolo. L'automobile familiare dell'Europa del dopoguerra, la Volkswagen Beetle - ufficialmente Type 1 - prodotta ininterrottamente tra il 1938–2003, con la sua architettura a raffreddamento ad aria e motore posteriore definì il modello della piccola automobile dell'epoca. Questo schema fu direttamente influente: la originale Fiat 500 partì ispirandosi all'architettura della Beetle del 1938 e diventò un'icona vendendo 3,4 milioni di unità tra il 1957–1975. La Mini invece si unì nel 1959. Il denominatore comune dei tre non era il prezzo basso, ma l'affidabilità e la semplicità; le piccole automobili europee dell'epoca classica erano un tempo considerate il culmine della semplicità e dei bassi costi di esercizio. Nel linguaggio dell'ingegneria, è il nome dell'epoca in cui ridurre il numero di cilindri e la cilindrata aumentando l'affidabilità divenne più vendibile che aumentare la potenza.

Come Ha Cambiato la Progettazione dei Motori la Crisi Petrolifera del 1973? Downsizing e Rivoluzione Turbo

1973 petrol krizinin ardından turboşarj devrimini başlatan BMW 2002 Turbo, Avrupa'nın ilk seri üretim turboşarjlı yol otomobili olarak tarihe geçti.

Nel 1973 l'embargo OPEC prima raddoppiò e poi quadruplicò il prezzo del barile, mostrando in tutta la sua nudità quanto fosse fragile la flotta di automobili americane affamate di carburante. Dallo shock nacque la terminologia della progettazione dei motori: il concetto di Malaise era che definisce quel periodo inizia con il brusco aumento del costo della benzina; i produttori chiudono l'epoca dei corpi e dei motori sovradimensionati e tornano all'efficienza. Negli USA le cilindrate dei V8 predefiniti furono ridotte quasi della metà; la radice dell'idea che oggi chiamiamo "downsizing" risale proprio alla crisi dell'OPEC. La storia aziendale di Toyota conferma la stessa sofferenza: la diminuzione dell'offerta di petrolio e l'aumento dei prezzi alimentarono ulteriormente la scarsità di materiali e prodotti di quell'epoca.

La risposta della pressione sull'efficienza sul versante delle prestazioni fu il recupero dell'energia dei gas di scarico: il turbo. Tre nomi sono considerati i pionieri di questa rivoluzione e la cronologia è la seguente:

  1. BMW 2002 Turbo - presentata al Salone dell'Automobile di Francoforte 1973 dopo tre anni di sviluppo; prodotto con un motore SOHC inline-4 M10 da 2,0 litri (1990 cc) con turbocompressore KKK e iniezione Kugelfischer, divenne la prima auto stradale di serie con turbocompressore d'Europa, due anni prima della soluzione simile di Porsche.
  2. Porsche 911 Carrera Turbo (930) - collocò il turbo al centro dell'identità prestazionale del marchio.
  3. Saab 99 Turbo - nel 1978 portò il turbo in una normale berlina familiare, creando un pubblico di appassionati destinato a durare decenni; anche la Volvo 240 Turbo seguì questa linea pratica.

La lettura equilibrata è questa: se la 2002 Turbo e la 911 Turbo hanno reso il turbo un simbolo di prestazioni, la 99 Turbo e la 240 Turbo lo hanno trasformato in un lusso per l'uso quotidiano. L'effetto complessivo del trio pionieristico fu quello di portare la turbocompressione da tecnologia di corsa di nicchia a strumento di efficienza mainstream - l'elegante risposta al vincolo che la crisi petrolifera impose all'ingegneria.

L'ascesa del diesel e il crollo con il Dieselgate

Alla fine del ventesimo secolo il diesel era uno dei cavalieri dell'efficienza; nel primo quarto del ventunesimo secolo si trasformò in una crisi di affidabilità. Il punto di svolta fu settembre 2015: con lo scandalo Dieselgate, Volkswagen installò su milioni di veicoli diesel un software truffaldino chiamato "defeat device" per ingannare i test sulle emissioni in tutto il mondo. Secondo i rilievi dell'EPA statunitense, l'azienda violò il Clean Air Act con circa 590.000 veicoli diesel degli anni modello 2009–2016. La letteratura scientifica conferma che il software truffaldino produceva illegalmente risultati falsi sulle emissioni di NOx. Lo scandalo non è solo il dossier di una singola azienda; è notizia comune nel settore che molti produttori manipolassero i valori di CO₂ e i consumi di carburante nei test. Dopo lo scandalo, VW sospese le vendite dei diesel attuali finché non fosse arrivata una tecnologia capace di soddisfare i nuovi standard.

Il risultato è misurabile e severo. In Europa la quota di mercato delle automobili diesel scese dal livello del 52% del 2015, anno dello scoppio dello scandalo, al 18% nel 2023; nello stesso intervallo la quota dei veicoli elettrici crebbe rapidamente. Dire che il diesel è "morto" sarebbe un'esagerazione, ma è innegabile che sulla strada europea si sia chiusa un'era - e questa chiusura ha creato il varco principale che ha aperto la strada all'ascesa dell'elettrico.

Deviazione: il motore Wankel e i 45 anni di testardaggine di Mazda

La deviazione più amata al di fuori del percorso principale è il motore rotativo dell'ingegnere tedesco Felix Wankel; ha origini che risalgono al concetto del 1929 e maturò negli anni '50. Questa elegante idea di realizzare il ciclo di lavoro con un rotore rotante invece che con pistone e cilindro trovò il suo fedele più grande in Giappone: Mazda firmò nel 1959 un contratto di sviluppo con la NSU, garantendo un impegno precoce e duraturo. L'avventura del motore rotativo iniziò nel 1967 con la Cosmo Sport (Mazda 110S); Con modelli come la R100 fu portato fino alla fine degli anni '60 e nei successivi 45 anni il motore fu maturato ingrandendo le cilindrate e aggiungendo il turbo. Nonostante sia rimasto ai margini del mainstream, il Wankel vive nella memoria ingegneristica come la linea sperimentale di più lunga durata che ha dimostrato che il ciclo Otto non aveva un'unica alternativa.

L'esplosione giapponese: Come la crisi petrolifera ha cambiato il padrone dell'epoca?

L'ultima grande rottura del secolo avvenne nella geografia della produzione. Mentre negli anni '70 le automobili giapponesi erano ancora viste come un tabù dalle generazioni precedenti, se la crisi petrolifera del 1973 abbia innescato questa esplosione è ancora oggi una questione dibattuta. I due poli del dibattito sono chiari: da un lato la crisi rese all'improvviso i veicoli efficienti nei consumi e con motori di piccola cilindrata il prodotto più desiderato del mondo; dall'altro l'ascesa dei produttori giapponesi non può essere ridotta a un mero shock petrolifero prezzato. Toyota registra la sua risposta alla prima crisi petrolifera come un capitolo a parte della sua storia aziendale - ossia sostiene che la crisi non fu un vento fortuito, ma una svolta sistematicamente affrontata nella strategia dell'azienda. Visto con l'occhio dell'ingegnere, l'equazione regge: l'efficienza era ormai un dato di input del progetto e dal 1973 in poi la cultura che gestì al meglio quell'input ereditò il mercato dell'epoca. Che parte dei pionieri del turbo fossero produttori europei orientati all'efficienza come Saab e Volvo è la matrice europea della stessa logica.

Conclusione: Il presente di un ciclo di 150 anni

La linea che va dalla macchina di Otto del 1876 al vano motore svuotato dopo il Dieselgate si legge con una sola logica: il vincolo di ogni epoca ha scritto la priorità di progetto di quella successiva. Il rendimento del 4% di Lenoir impose la compressione; la compressione generò l'automobile; la scarsità del dopoguerra ridusse le dimensioni; la crisi petrolifera impose l'efficienza e il turbo; le normative sulle emissioni prima esaltarono e poi abbatterono il diesel. Il ciclo a quattro tempi con accensione a scintilla lavora ancora sulle strade - ma è compito di chi legge la storia aggiungere che il traguardo di questa corsa di 150 anni è ormai tracciato dall'elettrico.

Fonti