Quaderni di tecnica – 2: i fondamenti del motore

Il nostro @lukethebike, apprezzato tecnico e collaudatore presso la Honda Europa, negli anni ha curato una serie di corsi tecnici per concessionari e officine autorizzate. Si parla di Corso Base di Manutenzione, Corso Telaio e Corso Iniezione. Ora ha deciso di riprendere in mano quel materiale e di proporre una rubrica fissa su Motoskills.it.
di Lukethebike – (La foto d’apertura, che rappresenta un motore Aprilia RSV4 sezionato, è di Thesupermat)

Seconda puntata dei nostri Quaderni di tecnica, dedicata al motore. Cos’è, come è fatto, come funziona e alcune sue peculiarità. Siamo ancora ai concetti di base, che sono però fondamentali per i successivi approfondimenti.
Partiamo dal principio: il motore è quell’oggetto meccanico costruito per generare l’energia necessaria alla propulsione di un veicolo, che nel nostro caso è la motocicletta.
Per ora, finché questa energia sarà ricavata dalla combustione di un carburante (la benzina, nel nostro caso), il motore può essere definito una macchina termodinamica. Ricava infatti l’energia che eroga alla ruota dal calore prodotto dalla combustione del carburante. In pratica, converte dell’energia termica in energia meccanica.

Il funzionamento del motore
Per funzionare il motore aspira e comprime attraverso il pistone una miscela di aria (comburente) e benzina (carburante), che viene successivamente accesa dalla candela, indicativamente quando la fase di compressione ha raggiunto il massimo.
Proprio l’accensione produce la combustione e una conseguente impennata della pressione dei gas all’interno del motore, che quindi spingono forte sul pistone, dando inizio alla fase di espansione e, successivamente, a quella di scarico.

Quello che si genera nel motore è dunque un movimento alternato, che l’albero motore converte in movimento rotatorio, quasi pronto a essere trasmesso alla ruota.

Nelle slide successive vediamo la rappresentazione schematica di questo funzionamento in un motore che funziona secondo questo ciclo di quattro fasi, che prende il nome di 4 tempi. Come si può intuire, ogni giro dell’albero motore si verificano 2 fasi, quindi il ciclo completo richiede 2 giri dell’albero. Questo significa anche che la fase utile, quella innescata dalla candela con l’accensione, si verifica un giro si e uno no.
Discorso diverso nel motore a 2 tempi, non rappresentato in questo schema, che ha una fase utile per ogni giro dell’albero motore. Ma, trattandosi di un’architettura motoristica che sta cadendo in disuso, non l’abbiamo presa in considerazione. Ciononostante, qualora vi interessasse, sarà nostra cura aggiungere delle slide relative.
A margine delle slide, si segnala che il Punto Morto Superiore (PMS) è il punto dove termina la corsa del pistone nel cilindro verso l’alto, in fase di compressione (o di scarico). Al contrario, il Punto Morto Inferiore, è quello nel quale termina la corsa in basso.

Gli elementi caratteristici del motore
Iniziamo a parlare di potenza, vale a dire della capacità del motore di svolgere un lavoro in un’unità di tempo.
La potenza è direttamente proporzionale alla PME, la Pressione Media Effettiva, vale a dire la pressione media dei gas all’interno del motore. Tanto più è elevata, tanto maggiore sarà la potenza erogata.
Ovviamente la potenza è anche funzione della cilindrata. Come è facilmente intuibile, tanto più un motore è grande di cilindrata, quanto più potrà essere potente. Anche se al raddoppio della cilindrata, a parità di rapporto fra alesaggio e corsa, la potenza non raddoppia, ma aumenta del 60% circa!

A Luca però interessa particolarmente il rapporto alesaggio/corsa, che rende più conveniente, in termini di guadagno di potenza, lavorare per aumentare l’alesaggio, piuttosto che la corsa

Al crescere dell’alesaggio ci sono infatti dei vantaggi importanti, come la possibilità di migliorare la “respirazione” del motore impiegando più valvole di grandi dimensioni, o quella di ridurre la velocità con la quale il pistone corre nel cilindro (per ridurre sollecitazioni e usure). A parità di cilindrata, un alesaggio superiore significa maggiore rendimento meccanico (meno perdite per attrito) e minori forze centrifughe (manovelle dell’albero motore più corte). Da ultimo, un concetto che vedremo nelle slide successive, minori spinte laterali del mantello del pistone sul cilindro.
Non mancano però gli svantaggi. L’area di carburante da accendere, detta fronte di fiamma, è superiore, e la combustione risulta più lenta; ecco perché alcuni motori adottano la doppia accensione. Le masse in movimento alterno risultano più pesanti, perché i pistoni sono più larghi, e il raffreddamento è più difficile. E poi, il tempo ridotto a disposizione per la fase di espansione, fa sì che sia difficile utilizzarla a pieno, restringendo l’arco dei regimi d’utilizzazione del motore.
Per questo il progettista sceglie la tipologia del motore da realizzare in funzione del carattere che vuole dargli. Si parte dal motore a corsa lunga, che ha “schiena”, coppia, ma anche meno potenza, soprattutto per la minore propensione a raggiungere gli alti regimi; ma che è il motore con il miglior rendimento, infatti consuma meno e inquina relativamente poco (Honda NC750). Si passa poi per il motore quadro, come quello dell’Honda CB500X/F/R (67×66,8) per arrivare a quello Superquadro, che invece ha facilità di girare ad alti regimi, esprimendo forti potenze; una tipologia di propulsore particolarmente diffusa nelle competizioni e nei motori supersportivi.

Il Rapporto Raggio di manovella/Lunghezza biella
Al di là della differenza fra un motore a corsa lunga o quadro, c’è un rapporto matematico che va tenuto in forte considerazione. Quello fra il raggio di manovella e la lunghezza della biella.

Tanto è minore, vale a dire tanto è minore in proporzione la dimensione del raggio di manovella relativamente alla lunghezza della biella, tanto più si riducono le spinte laterali del pistone sul cilindro. Che sono una maledizione, perché usurano questi due componenti, assorbono energia per attrito, generano calore e costringono a realizzare pistoni con un mantello (la superficie laterale) molto pronunciato

Dunque, converrebbe ridurre la lunghezza della biella, ma in questo modo, aumenterebbe percentualmente la parte di biella soggetta a muoversi da una parte all’altra nel seguire il movimento rotatorio della manovella. Cosa che si tradurrebbe in energia persa e in vibrazioni.
E allora? Allora ecco un altro buon motivo per privilegiare i motori superquadri, che riducono l’esigenza di corsa del pistone e che, quindi, sono compatibili con raggi di manovella ridotti.
Ovviamente, le spinte laterali del pistone sul cilindro aumentano anche al crescere della cilindrata unitaria. Ecco perché si privilegiano i motori più frazionati (a parità di cilindrata). Garantiscono velocità medie del pistone inferiori e regimi di rotazione più elevati, quindi più potenza. Il tutto con meno usura di pistoni e cilindri! Lo svantaggio del frazionamento è l’ingombro superiore e la complessità meccanica, che si traduce anche in costi superiori.

Il rapporto di compressione
Il rapporto di compressione, volgarmente espresso come la differenza di volume a disposizione dei gas quando il pistone è al Punto Morto Inferiore e quando invece è al Punto Morto Superiore, influenza direttamente la PME. Un alto rapporto di compressione la fa crescere, regalando maggiore potenza. Ecco perché da ragazzi portavamo le testate dei motorini in rettifica per farle “abbassare”.

Ma non si può esagerare, altrimenti gli svantaggi superano i vantaggi

Al crescere del rapporto di compressione crescono infatti le perdite per depressione all’aspirazione. Perché aumenta sì la depressione, ma diminuisce la densità della colonna gassosa che si muove nel condotto d’aspirazione. E al crescere della velocità di spostamento dei gas nei condotti, aumenta proporzionalmente lo spessore dei filetti fluidi che aderiscono al condotto, riducendone di fatto la sezione.
Aumentando la compressione di un motore, si fa crescere anche la temperatura dei gas, aumentando la tendenza all’autoaccensione quando ancora il pistone è nella fase della compressione. Un fenomeno che si chiama detonazione, e che volgarmente viene definito come battito in testa. Quello che succede è che i gas si accendono da soli troppo presto e contrastano in maniera violenta la corsa del pistone verso l’alto, causando -alla lunga- gravi problemi meccanici al motore.

La velocità media del pistone
Ancora qualche definizione importante, come la Velocità Media del Pistone, vale a dire la velocità media alla quale il pistone corre dentro il cilindro. Anche questo un valore importante, perché al crescere della velocità media aumenta l’usura (uno dei motivi per i quali i motori che girano forte si usurano prima), ed aumentano pure le sollecitazioni, visto che nell’arco di un giro dell’albero motore, il pistone accelera da 0 a una velocità massima per poi tornare a 0 per ben 2 volte.
Dunque, per motori tranquilli, di solito la velocità media si attesta intorno ai 16-17 metri al secondo. La media dei motori sportiveggianti di oggi raggiunge e supera facilmente i 20 m/s (72 km/h), mentre per i motori da corsa più spinti si parla anche di 28 m/s (100,8 km/h).
Quanto al numero di giri, ricordando che la potenza è la capacità di svolgere un determinato lavoro in un’unità di tempo, è intuitivo che aumentare il numero di giri (il lavoro) porta a un aumento della potenza. Ma i giri non vanno d’accordo con le cilindrate elevate, perché aumentano le forze in gioco, le inerzie. E allora ecco un altro motivo per frazionare un motore.

Le curve caratteristiche del motore
Sono quei diagrammi che ci forniscono informazioni importanti sul comportamento del motore. E a occhio, in funzione del loro andamento, ci raccontano molto il carattere del propulsore. Qui vediamo un diagramma tipo, con le 3 curve tipiche: potenza, coppia e consumo specifico in funzione dei giri.

La curva di potenza
Analizzando in dettaglio la curva di potenza, si può vedere il suo andamento, che tende a crescere molto quando si guadagnano i primi giri, per poi rallentare. Fino al punto di potenza massima, oltre il quale inizia una decrescita che da un certo regime in poi va giù repentinamente.
Succede perché, di nuovo, si riduce la depressione all’aspirazione, vale a dire che peggiora il riempimento del motore. E si creano delle onde di contropressione nello scarico, che spingono nel motore i gas combusti, invece di aiutarne l’estrazione. Ovviamente tutto questo viene calcolato e accordato dagli ingegneri, con complessi calcoli fluidodinamici, che ottimizzano questi flussi gassosi simultaneamente al regime di giri al quale si intende dare al motore la potenza massima.

La curva di coppia
Volgarmente abbiamo tradotto la coppia come la forza di un motore. La sua curva caratteristica la vede crescere molto quando si guadagnano i primi giri, per poi iniziare una lenta discesa. In questo caso, la causa principale sembrano essere le perdite per pompaggio, vale a dire le pressioni che si creano nella camera di manovella, sotto il pistone, e che ne frenano la discesa.

La curva del consumo specifico
Il consumo specifico è in diretta correlazione con la potenza sviluppata. Non si parla dunque solo di quantità di carburante consumata, ma anche di potenza prodotta con quel carburante.
Ecco allora che il consumo specifico è alto ai regimi molto bassi per raggiungere un minimo a un regime poco superiore a quello di coppia massima. L’andamento della curva dipende però da quella della potenza massima. Tanto la pendenza della coppia massima sarà elevata (motori molto spinti), tanto sarà conveniente usarli ad alto regime, perché è lì che garantiscono il rendimento migliore.

Questa seconda puntata si chiude qui. Nella prossima lezione si affronteranno temi legati alla fluidodinamica e al contenimento delle vibrazioni.
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La prima puntata era stata dedicata alle informazioni basilari da conoscere prima di mettere le mani sulla moto per la manutenzione ordinaria. Potete trovarla cliccando QUI