Che cosa succede quando... ruoto la manopola del gas

Per quale motivo la velocità di rotazione e la potenza del motore aumentano e quindi la moto accelera quando si dà gas? E per quale ragione allorché si “chiude la manetta” il mezzo rallenta senza che si tocchino i freni?     Può sembrare una domanda banale. Lo sanno tutti che girando la manopola in un senso aumentano il regime di rotazione e i cavalli forniti dal motore, e quindi la moto accelera, mentre girandola nell’altro senso avviene il contrario. Ma per quale ragione accade questo? Su quale organo agisce il comando del gas lo sa qualunque appassionato: si tratta della valvola a farfalla, che quando si accelera si apre in misura maggiore, consentendo una migliore respirazione al motore, e quando si decelera fa esattamente l’opposto. Allorché la manopola è in posizione di riposo e il cambio è in folle (o la frizione è disinnestata), il motore gira al minimo; nei cilindri viene aspirato solo quel poco di aria (più una piccola quantità di benzina) che consente il funzionamento. Tale situazione è determinata dal fatto che la valvola del gas resta aperta solo in misura estremamente limitata, tale da permettere l’ingresso nei cilindri della modestissima quantità di miscela aria-carburante che consente al motore, appunto, di girare al minimo, vincendo l’unica opposizione che incontra, dovuta all’attrito tra le parti mobili e quelle fisse. È opportuno precisare, comunque, che la valvola del gas non è sempre del tipo a farfalla. Quando l’alimentazione non è a iniezione ma a carburatore, spesso è del tipo a saracinesca (o a ghigliottina che dir si voglia). Dunque, il motore respira liberamente solo quando la valvola è spalancata e pertanto lascia completamente libero il condotto attraverso il quale passa l’aria (o la miscela aria-benzina). Ciò accade allorché la manopola dell’acceleratore è ruotata a fondo, se il comando è diretto, cioè realizzato mediante un cavo flessibile che collega i due componenti in questione (ovvero la manopola e la valvola del gas), come accade nella grande maggioranza dei casi. Le cose possono non stare sempre così, però. In diverse moto di alte prestazioni delle ultime generazioni il comando è del tipo ride-by-wire o nel condotto vi è una seconda valvola a farfalla, avente una funzione modulatrice (e le stesse considerazioni valgono per i carburatori a depressione!). Nel primo caso la valvola del gas viene controllata, per mezzo di un apposito attuatore, dalla centralina elettronica, e quindi è quest’ultima che decide quando e in quale misura la valvola stessa deve venire aperta. Quando vi è una valvola modulatrice ausiliaria, anche se il pilota ruota a fondo la manopola dell’acceleratore, determinando la completa apertura della valvola del gas, la sezione a disposizione dei gas può comunque essere notevolmente inferiore a quella massima perché la valvola ausiliaria non si apre ancora del tutto, ma svolge una azione parzializzatrice. Nelle moderne moto di alte prestazioni i condotti di aspirazione hanno diametri molto considerevoli e se il pilota spalanca repentinamente la valvola del gas, in varie condizioni la risposta del motore può essere meno pronta di quella che si potrebbe avere se l’aumento della sezione a disposizione dei gas fosse graduale (anche se rapido). In questo secondo caso, “dosando” come opportuno l’aumento della sezione a disposizione dei gas, è possibile mantenere una adeguata velocità dei gas, almeno nella zona della valvola, con i vantaggi che ne conseguono in termini di rapidità di vaporizzazione e di distribuzione del carburante in seno alla massa gassosa. Come ovvio, la situazione è peggiore se l’alimentazione è a carburatori (bassa velocità significa peggior richiamo del carburante dalla vaschetta e minore polverizzazione) e questo spiega per quale ragione hanno avuto una così grande diffusione quelli a depressione, che effettivamente sono in grado di parzializzare come più opportuno il passaggio dei gas anche quando il pilota ruota improvvisamente a fondo la manopola dell’acceleratore e di mantenere una considerevole velocità dei gas proprio nella zona ove si affaccia il polverizzatore. Le migliori prestazioni si ottengono con miscele aria-carburante aventi una dosatura sensibilmente ricca, ovvero contenenti più benzina di quanto sarebbe necessario, dal punto di vista chimico, per ottenere una combustione completa. In tali condizioni, dunque, il titolo non è stechiometrico in quanto vi è del carburante in eccesso. Ciò assicura un combustione più rapida e un migliore raffreddamento interno e inoltre “compensa” quel poco di carburante che effettivamente non brucia (la combustione non è mai completa al 100%) e quello che si perde allo scarico durante la fase di lavaggio (mai davvero perfetta!). I carburatori sono realizzati e tarati in modo da assicurare un arricchimento, quando si spalanca la valvola del gas, che può essere ancora maggiore se tale manovra viene effettuata con rapidità. Come ovvio, di questa esigenza del motore si tiene conto, e in modo decisamente migliore, anche quando l’alimentazione è affidata a un sistema di iniezione, grazie alla logica e alla programmazione della centralina e ai sensori che le inviano tutte le informazioni del caso. Nei motori a ciclo Otto l’erogazione di potenza viene controllata quantitativamente, ovvero agendo sul riempimento dei cilindri. Come già visto, la respirazione è libera (e quindi il rendimento volumetrico è massimo) solo quando la valvola del gas è totalmente spalancata. In tutte le altre condizioni, quando cioè essa è aperta solo parzialmente, il motore è “soffocato”, in misura maggiore o minore, e questo comporta, oltre a una diminuzione della potenza erogata, anche maggiori perdite per pompaggio. In altre parole, non solo la densità della carica immessa nei cilindri è minore, ma si ha anche un peggioramento del rendimento meccanico. Una carica meno densa significa che, ad ogni ciclo, in ciascun cilindro viene immessa una minore massa di carburante e di aria. Di conseguenza ogni fase di combustione determina un minor sviluppo di energia termica. La pressione massima del ciclo è più bassa e anche la pressione media. Pure la velocità di combustione diminuisce. Insomma, ogni singola fase utile è meno vigorosa e quindi la coppia erogata dal motore a quel determinato regime è minore. E siccome la potenza non è altro che il prodotto della coppia per la velocità di rotazione, anche i cavalli prodotti sono di meno. Insomma, alle medie aperture della valvola del gas (e più ancora alle piccole!) il motore non solo fornisce una potenza inferiore, ma ha anche un rendimento complessivo peggiore: per ogni cavallo erogato consuma più carburante! Per conoscere il rendimento effettivo del motore nelle diverse condizioni di funzionamento, occorre pertanto fare riferimento alle mappe tridimensionali (regime di rotazione su asse x, carico motore su asse y e consumo specifico su asse z), che purtroppo ben difficilmente i costruttori forniscono. Si impiegano però diffusamente nel campo dei veicoli industriali, ove appaiono spesso anche nelle brochure dato che le informazioni da esse fornite spesso possono costituire un importante argomento di vendita. L’effetto frenante del motore, quando esso viene trascinato, come accade particolarmente in staccata (allorché si chiude il gas e si scalano le marce), dipende proprio dal fatto che non solo la ruota posteriore deve trascinare tanti organi meccanici, contro l’attrito che si oppone al loro movimento, ma soprattutto deve vincere la resistenza dovuta al pompaggio, ovvero al lavoro negativo necessario per richiamare i gas nei cilindri (e poi espellerli). È per questa ragione che in fase di staccata in diverse moto di altissime prestazioni dotate di sistemi ride-by-wire la centralina provvede a mantenere aperte una, due o anche quattro valvole del gas (al fine di abbattere le perdite di pompaggio e quindi ridurre il “freno motore”), interrompendo contemporaneamente l’emissione di carburante da parte degli iniettori. Mano a mano che, dalla posizione di piena apertura, il gas viene parzializzato, la massa di miscela immessa nei cilindri diminuisce; il volume aspirato però rimane invariato. Diminuisce quindi la densità della miscela stessa e di conseguenza anche la velocità di avanzamento del fronte della fiamma. Di ciò si tiene debito conto grazie alla mappa tridimensionale memorizzata nella centralina, che modifica come opportuno la fasatura di accensione (una minore rapidità di combustione rende necessario un maggiore anticipo). Come accennato, alcuni sistemi di aspirazione prevedono, oltre alla farfalla principale (cioè alla valvola del gas), direttamente controllata dal pilota mediante comando a cavo flessibile, anche una farfalla secondaria, che di norma è posta subito a monte dell’altra e che viene gestita dalla centralina elettronica. Quando il pilota ruota repentinamente a fondo la manopola dell’acceleratore la centralina valuta quale è effettivamente l’apertura della valvola che in tale situazione consente di ottenere le migliori prestazioni (ossia di sfruttare il motore in maniera ottimale) e poi aumenta gradualmente l’apertura stessa, meno a mano che il motore “prende” i giri. Nei sistemi ride-by wire le valvole del gas non vengono azionate dal pilota tramite un cavo, ma sono comandate in maniera indiretta. A farle muovere provvede infatti la centralina, alla quale è collegata la manopola dell’acceleratore, in base alla sua logica, alla sua programmazione e ai dati che le arrivano dai sensori. Insomma, la centralina elettronica prende atto di ciò che desidera il pilota, ma in ogni caso impartisce all’attuatore che comanda le valvole a farfalla le disposizioni più vantaggiose ai fini delle prestazioni. In questo modo si ha sempre la velocità dei gas più opportuna, nelle diverse condizioni di funzionamento, e quindi la migliore risposta e l’accelerazione più brillante da parte del motore Fin qui abbiamo visto le cose nell’ottica delle prestazioni, come sempre accade per le moto da competizione. In effetti, però, nei modelli di serie occorre tenere in debito conto anche le esigenze relative al contenimento delle emissioni, sia di inquinanti allo scarico che acustiche. Le centraline vengono quindi programmate in quest’ottica, dato che occorre rispettare i limiti imposti dalla legge. Non è detto che, nelle diverse condizioni di funzionamento (ossia, per le varie combinazioni carico-regime), l’anticipo di accensione e la dosatura della miscela aria-carburante ottimali per le prestazioni lo siano anche per quanto riguarda il contenimento della rumorosità di scarico o meccanica (quest’ultima è fortemente influenzata dalla rapidità con la quale la pressione nei cilindri aumenta, durante la combustione) e/o la limitazione della quantità di sostanze inquinanti emesse allo scarico. In effetti assai spesso non è così… È fondamentalmente per questa ragione che, sostituendo la centralina o rimappando quella di serie, si possono ottenere incrementi di prestazioni anche tutt’altro che trascurabili.