Pillole di tecnologia: quanto è “spinto” un motore 1

I moderni motori sportivi hanno raggiunto potenze specifiche estremamente alte. Con questo termine si intende la potenza rapportata alla cilindrata. È un valore importante da tenere in considerazione perché con la potenza specifica è possibile rapportare fra loro motori di cilindrata diversa ma con lo stesso frazionamento, ma cosa succede quando cambia anche il numero dei cilindri? Come si fa a capire quale dei due è il più spinto? I nostri lettori più tecnici poi potranno essere interessati anche ad un altro aspetto: le prestazioni dei motori si possono  grossolanamente attribuire a due differenti aspetti. Si può parlare del rendimento della “parte alta” e della “parte bassa”, oppure, con altri termini, di rendimento fluidodinamico o della termica cioè della testata, e rendimento meccanico o dell’imbiellaggio. In tutti i casi il primo aspetto è legato alla coppia che il motore è capace di esprimere, il secondo aspetto descrive invece la velocità con cui il motore gira. Sapendo che la potenza è il prodotto della coppia per il numero dei giri, se un motore esprime la stessa coppia di un altro ma a regimi superiori allora la potenza espressa è superiore. 

VALORI DI RIFERIMENTO - I tecnici cercano di esprimere le prestazioni dei motori in modo da tenere conto solo delle prestazioni pure indipendentemente dal numero dei cilindri e dalla cilindrata. E per farlo introducono due termini che funzionano molto bene per paragonare motori anche molto diversi fra loro: la pressione media effettiva e la velocità media del pistone. La PME è il rapporto fra lavoro utile per ciclo e cilindrata un rapporto fra una energia ed un volume, l’unità di misura è [N/m2], quindi una pressione, ma attenzione non ha niente a che vedere con le effettive pressioni che si sviluppano in camera di scoppio, è solo un numero “comodo” per valutare le performance di un motore. Quali sono i valori di riferimento della PME? Un due tempi può arrivare al massimo a 10 bar (di fatti si è sempre detto che sono motori “poco efficaci”, un diesel arriva a 12 se aspirato, ma fino a 24 se sovralimentato (non a caso oggi giorno ci sono solo turbodiesel), un quattro tempi aspirato può vedere 14bar, un sovralimentato di produzione arriva a 22. Curiosità: i vecchi 1500 turbo di F1 di primi anni ottanta in configurazione da qualifica con pressione di alimentazione libera (si parlava di oltre 6 bar) sprigionavano qualcosa come 1300 CV con abominevoli PME da 50bar, peccato che durassero un centinaio di chilometri prima di… esplodere!

ACCELERAZIONI SPAVENTOSE - La velocità media del pistone VM invece rappresenta le sollecitazioni dovute alle forze d'inerzia del manovellismo, si calcola considerando il tempo che impiega il pistone a compiere la sua corsa secondo la semplice formuletta velocità=spazio/tempo. Anche in questo caso non è il valore di per sé ad essere importante, ma i fattori che lo determinano. Si parla di velocità media, ma è chiaro che un pistone non si muove a velocità costante, anzi la sua velocità varia continuamente fra zero ed un valore massimo. Quello che è realmente importante sono le accelerazioni, ovvero quanto in fretta il pistone passa da zero alla velocità massima, è ovvio che minore è il tempo per fare la corsa maggiore è la velocità media e maggiori sono le accelerazioni che si sprigionano e di conseguenza le forze che stressano gli organi meccanici. Difatti a queste accelerazioni sono sottoposte delle masse, le masse alterne, in primis pistone e spinotto. Parliamo di accelerazioni spaventose: che determinano forze enormi che si scaricano su bielle ed albero motore ad ogni inversione della corsa del pistone. Valori di 23m/s fino agli anni ottanta erano tabù anche nelle corse, adesso sono alla portata di motori di serie, mentre in F1 sono arrivati ad oltre 26, con la Moto GP poco distante. Significano accelerazioni e decelerazioni di qualcosa come 8000 g, e forze che, considerando un paio di etti scarsi di peso per il complesso pistone spinotto, valgono una quindicina di quintali istantaneamente scaricati sulle bronzine di testa. 

GESTIRE LA VELOCITA’ - Ma come fare a limitare la velocità media del pistone? Bisogna realizzare un motore con grande alesaggio e corsa ridotta, in questo modo a parità di numero di giri raggiunto la velocità media del pistone è più bassa, semplicemente perché il pistone deve fare meno strada. Anticamente i motori avevano valori di corsa superiori a quelli di alesaggio, motori molto spinti venivano definiti “quadrati” o “quadri”, erano quelli con alesaggio e corsa dello stesso valore, poi man mano che la tecnologia si è evoluta è stato possibile arrivare a motori con alesaggi sempre maggiori, in gergo chiamati “superquadri” con l’apice sempre in F1 con rapporti C/A di 0.4 contro i 0.5 0.6 delle moto e gli oltre 0.8 dei motori automobilistici stradali. Ma quanto è difficile realizzare pistone superquadri? Difficilissimo, perché al contempo devono essere leggerissimi, se infatti si aumenta il diametro ma i pesi finiscono fuori controllo, alla fine le forze di inerzia sono le stesse se non superiori. Quindi devono essere di grande diametro e ridotta altezza, il mantello, la parte che è a contatto col cilindro e che guida il pistone nella sua corsa deve essere ridotto, ma poca guida significa che il pistone può oscillare, in gergo si dice che “scampana”, con tutte le conseguenze del caso. Contenere i pesi significa anche poco supporto allo spinotto di biella e grandi deformazioni che devono essere contenute realizzando nervature di irrigidimento sotto testa. I pistoni più semplici sono fusi in lega di alluminio, quelli più performanti sono forgiati per realizzare nervature più sottili fidando sulla maggiore resistenza del materiale di base, ma in alcuni casi dopo la forgiatura sono in pratica completamente rilavorati di macchina utensile per asportare tutto il materiale inutile. Addirittura si sta osservando in talune applicazioni l’adozione di pistoni non più in alluminio, ma addirittura realizzati per sinterizzazione di polveri di acciaio. Insomma servono competenze approfondite sui materiali, sulle tolleranze di accoppiamento e sul controllo delle deformazioni al cambiare delle temperature di funzionamento. Una lunga rincorsa all’optimum che dura da parecchi decenni e che evidentemente non è ancora finita.