Quando e come è nato il carburatore

Indipendentemente dal numero o dalla disposizione dei cilindri, compresi i motori rotativi come il Wankel, o dalle differenze tra motori a benzina e diesel, e persino dal numero di tempi del ciclo (due, quattro o più), ogni motore deve bilanciare prestazioni, efficienza nei consumi ed emissioni.

Ogni motore a combustione interna, indipendentemente dalla sua complessità o destinazione, si basa sullo stesso principio fondamentale. Che si tratti del motore semplice di un tosaerba, di un’unità automobilistica comune, del motore altamente raffinato di una vettura da corsa o della gigantesca centrale elettrica di un transatlantico, il principio rimane invariato: l’accensione di una miscela di aria e carburante genera un movimento rotatorio. La potenza dei gas in combustione viene trasmessa all’interno del cilindro attraverso pistoni, bielle e un albero motore, e questo movimento viene poi trasferito alle ruote mediante un complesso sistema di ingranaggi e alberi. Tutti i motori a combustione interna affrontano la medesima sfida di base: come preparare una miscela di carburante e aria quanto più omogenea possibile.

Indipendentemente dal numero o dalla disposizione dei cilindri, compresi i motori rotativi come il Wankel, o dalle differenze tra motori a benzina e diesel, e persino dal numero di tempi del ciclo (due, quattro o più), ogni motore deve bilanciare prestazioni, efficienza nei consumi ed emissioni. Per conseguire questo obiettivo, è essenziale trovare il metodo più efficace per preparare la miscela aria-carburante.

La miscela deve essere un aerosol uniforme, costituito da goccioline di carburante distribuite in modo omogeneo nell’aria, per garantire una combustione efficiente. Inoltre, deve avvicinarsi il più possibile al rapporto ideale tra carburante e ossigeno. In teoria, questo sembra semplice: il rapporto stechiometrico, ossia il rapporto chimicamente perfetto per la combustione della benzina in condizioni atmosferiche normali, è di 14,7:1. Ciò significa che per ogni chilogrammo di benzina occorrono 14,7 chilogrammi di aria.

La densità della benzina varia tra 0,71 e 0,77 g/cm³, quindi per bruciare circa 1,3 litri (circa 1 kg) di carburante servono circa 11,3 metri cubi di aria. In pratica, i rapporti variano: una miscela ricca può arrivare a 12:1, mentre una miscela magra può spingersi fino a 18:1. Qui ci concentreremo sui motori a benzina, poiché i motori diesel sono quasi esclusivamente assenti nelle competizioni automobilistiche, fatta eccezione per alcune corse di camion, prototipi Le Mans come quelli di Audi e Peugeot, e vetture TDI nel turismo. I motori diesel si distinguono per un funzionamento diverso, basato sull’accensione per compressione e sull’iniezione elettronica.

Nei motori a benzina, la regolazione è quantitativa: la valvola a farfalla controlla l’ingresso della miscela nel cilindro, mantenendo pressoché costante il rapporto carburante-aria. Nei diesel, invece, la regolazione è qualitativa: variando la quantità di carburante si modifica sensibilmente il rapporto. Il rapporto stechiometrico teorico del diesel è di 14,5 kg di aria per 1 kg di gasolio, ma in realtà le miscele utilizzate sono molto più povere, da 18:1 fino a 70:1, con vantaggi in termini di consumo e gestione termica, ma anche con svantaggi come l’aumento delle emissioni di NOx.

Tornando ai motori a benzina, per ottenere il rapporto stechiometrico ottimale si utilizza il parametro λ, detto rapporto di equivalenza aria-carburante, che deve essere pari a uno per una combustione ideale. Una sonda lambda rileva la composizione dei gas di scarico e invia i dati alla centralina, che regola la miscela per mantenerla corretta, evitando combustioni troppo ricche o troppo magre.

In teoria, un motore a combustione interna è molto efficiente: con λ = 1 produrrebbe principalmente CO2 e vapore acqueo. In realtà, i gas di scarico contengono anche azoto e piccole quantità di altri gas inerti provenienti dall’aria, perché solo l’ossigeno è realmente utilizzato nella combustione. Questo spiega perché grandi volumi d’aria devono attraversare il motore durante il funzionamento. L’aria atmosferica è composta per il 78% da azoto, 21% da ossigeno, circa l’1% da CO2 e piccole quantità di argon e altri gas rari.

Prima dell’avvento dei sensori di ossigeno e della gestione elettronica, la preparazione di una miscela efficace era affidata al carburatore. I primi prototipi di carburatore risalgono al XVII secolo nei Paesi Bassi, ma i veri carburatori in grado di creare un aerosol omogeneo dal carburante liquido apparvero solo nel XIX secolo. Diversi pionieri sono stati coinvolti nello sviluppo: Samuel Morey, nel 1824, scoprì che i vapori di trementina miscelati con aria erano combustibili e nel 1826 progettò un motore bicilindrico con unità di carburazione.

Nel 1875, Siegfried Marcus presentò una delle prime automobili a benzina dotata di “atomizzatore”, simile a un carburatore, che spruzzava la miscela con spazzole d’acciaio. Nel 1882, Enrico Bernardi dell’Università di Padova realizzò il primo vero carburatore basato sul principio di Bernoulli, utilizzandolo sul suo triciclo. Nel 1885, Karl Benz brevettò la prima automobile prodotta in serie con motore a combustione interna, dotata di un carburatore con vaporizzatore, poi sostituito da un modello “a superficie”. L’inventore britannico Edward Butler, nel 1887, impiegò un carburatore con valvola a spillo sul suo triciclo, introducendo anche il termine “benzina” e innovazioni come le candele, la bobina di accensione e il magnete, sebbene il Red Flag Act del 1865 limitasse gravemente la diffusione delle automobili in Gran Bretagna.

Nel 1896, Wilhelm Maybach e Gottlieb Daimler migliorarono il carburatore, introducendo vaschetta del galleggiante e valvola a spillo, anticipando molti concetti della carburazione moderna. Il principale limite era la risposta lenta quando il motore richiedeva carburante. L’ultimo miglioramento significativo fu introdotto da Butler nel 1900, con l’utilizzo di tubi di Venturi per atomizzare immediatamente il carburante. Questi principi rimasero alla base dei carburatori fino agli anni ’20 e continuarono a essere sviluppati con modifiche minime fino alla fine degli anni ’80 e inizio anni ’90.

In Europa, l’era dei carburatori si concluse nel 1992, quando la normativa richiese che tutti i motori nuovi fossero dotati di iniezione elettronica. In altri paesi, tuttavia, i carburatori sopravvissero più a lungo: in Australia furono utilizzati su furgoni e fuoristrada fino ai primi anni del XXI secolo, e in Russia sulle auto LADA fino al 2006.