I rendimenti

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Tutti coloro che si occupano di motori hanno certamente compreso che ogni motore sviluppa una potenza, ossia un lavoro utile, tendenzialmente proporzionale alla cilindrata e alla presenza o meno di elementi di sovralimentazione.

Detta così non è proprio precisa, i più smaliziati avranno già associato motori di simile cilindrata ma di potenza nettamente diversa anche escludendo sistemi di sovralimentazione.

La differenza che è subito saltata all’occhio in verità è la diversa resa o meglio le diverse perdite di rendimento che una tipologia di motore perde o guadagna nei confronti di un altro.

Parliamo quindi di rendimenti, ossia di dove si perde l’energia e dove eventualmente la si deve ricercare in caso si voglia aumentare la potenza di un nostro ipotetico motore.

Il rendimento ideale

Esso è stato definito come rapporto tra lavoro fornito dal ciclo ideale ed il calore che realmente partecipa al ciclo1. Per i nostri intenti, possiamo considerare il rendimento ideale come il rendimento che avrebbe un ipotetico motore se:

  • Il carburante potesse bruciare completamente sviluppando tutto il suo potere calorifico
  • Il motore potesse sempre aspirare per ogni ciclo un volume di miscela (o sola aria nei Diesel) pari alla sua cilindrata
  • Non esistessero attriti meccanici
  • Non ci fossero resistenze all’ingresso dell’aria (o miscela) nel cilindro e resistenze a spingere i gas combusti lungo il condotto di scarico

A dire il vero ci sarebbe anche dell’altro ma già con questi 4 punti abbiamo abbastanza carne al fuoco.

Il rendimento termico

Per ottimizzare la combustione del carburante che entra in camera di scoppio bisogna che tutto il carburante reagisca chimicamente (la combustione è un fenomeno chimico) con tutta l’aria intrappolata (o meglio, con tutto l’ossigeno) nel più breve tempo possibile e con il massimo gap tra la temperatura di inizio e quella di fine combustione.

Quello che deve accadere è che ogni singola molecola di carburante deve essere circondata dal giusto numero di molecole di ossigeno per reagire in modo corretto, ma nella realtà le molecole di carburante tendono ad aggregarsi limitando quindi la possibilità alle molecole di ossigeno di “avvolgerle”.

Se poi si considera anche che le molecole di carburante si depositano lungo le pareti, a ridosso di ogni spigolo e nei vari interstizi (tra la prima fascia e il cielo del pistone ad esempio) escludendonsi così dal partecipare alla combustione; si comprende come sia difficile bilanciare al meglio le giuste proporzioni (vedi al riguardo l’articolo sul rapporto stechiometrico).

Perché la combustione avvenga nel minor tempo possibile è necessario che la miscela sia raccolta in uno spazio ristretto, ma questo provoca un alto rapporto di compressione e quindi un elevato surriscaldamento della miscela, che comunque al termine della combustione raggiunge sempre pressoché la stessa temperatura quindi riduce il gap tra le due condizioni. Anche se il surriscaldamento della miscela contribuisce alla separazione delle molecole e quindi ad una migliore combustione.

Il rendimento volumetrico

Sappiamo tutti che un contenitore da un litro tiene un litro di qualsiasi prodotto liquido o gassoso, ma un cilindro del motore fa fatica a riempirsi e per essere efficiente al massimo range di giri possibili deve scendere a compromessi.

Durante le rotazioni lente dell’albero motore, in fase di aspirazione, la valvola si chiude mentre il pistone sta già compiendo la fase di risalita e questo provoca un “rigetto” di miscela che non permette il completo riempimento. Per cui ai bassi regimi abbiamo una perdita di efficienza a causa di questo fenomeno.

Aumentando progressivamente di giri si viene a creare un fenomeno per cui la miscela in entrata inizia ad essere rigettata quando il pistone ha già iniziato la risalita di qualche grado. Questo perché la miscela in ingresso è una massa e come tale ha un peso, il quale gli conferisce una certa inerzia e una volta “lanciata” attraverso i condotti questa tende ad opporre resistenza e inizia a comprimersi la dove trova l’ostacolo (il pistone) mentre la coda continua a varcare la valvola sino a quando l’onda di ritorno non respinge la massa nuovamente nel condotto.

Più si abbreviano i tempi per la chiusura della valvola più miscela rimane intrappolata nel cilindro anche se i ridotti tempi di ciclo e le conseguenti alte velocità del flusso rendono difficoltoso l’ingresso.

Rendimento organico

Per rendimento organico si intendono tutte quelle resistenze meccaniche che il motore patisce durante il suo funzionamento. Innanzitutto si tratta di attriti e in seguito di resistenze meccaniche come quelle consumate per il funzionamento degli alberi a camme, della pompa dell’olio, della pompa dell’acqua, generatore e altri accessori.

Gli attriti meccanici derivano da tutte quelle parti sottoposte a strisciamento come le fasce elastiche, i cuscinetti di banco e di biella, quelli degli alberi a camme, delle pulegge e così via.

Contribuiscono a determinare l’attrito la larghezza e il diametro dei cuscinetti. Più sono stretti e di ridotto diametro minore sarà l’attrito sviluppato da questi. A determinarne le quote però saranno i carichi che questi dovranno sopportare per cui ridurre la larghezza dei perni e il diametro degli alberi (di conseguenza dei semigusci) costringerà le parti ad un lavoro più gravoso che influirà sulla affidabilità.

I propulsori destinati all’uso “civile” sono normalmente abbondanti come dimensioni. Un propulsore che preveda frequenti smontaggi, come per le competizioni ad esempio, avrà perni di banco e di biella di misura più ridotta (in proporzione allo sforzo si intende).

Lo stesso dicasi per le fasce elastiche e l’altezza del pistone, nonché il loro diametro.

Il numero e il loro spessore ne determina il coefficiente di attrito. Sulle fasce di tenuta si va a scaricare la pressione generata in camera di combustione e questa preme sulla superficie e sul retro provocando una spinta verso il basso e una pressione verso la parete. Minore pressione viene esercitata contro il cilindro e minore sarà l’attrito che ruberà potenza all’albero.

I motori da competizione arrivano ad avere due sole fasce per cilindro (una sola per i 2 tempi) ed anche molto ristrette.

L’altezza del pistone, oltre ad influire sul peso delle masse alterne, è la responsabile della superficie di appoggio sulla parete del cilindro che comunque è una superficie che sviluppa la sua porzione di attrito.

I motori moderni hanno pistoni altamente più efficienti rispetto a quelli di un tempo (anche non molto lontano), sia come disegno, sia come materiali, sia come distanza tra le fasce e distanza della prima fascia dal cielo del pistone e già solo l’osservarne le differenze salta subito all’occhio la direzione da prendere per modificare un motore allo scopo di alzarne il livello prestazionale.

In tutto questo a farne la parte del leone è il lubrificante.

La viscosità dell’olio infatti è fonte di resistenza meccanica (per essere pompato in circolo) ma anche risoluzione di attriti.

Le caratteristica dell’olio (spiegata per bene sul mio “Manuale di manutenzione meccanica ordinaria” a cui vi rimando) deve essere quella di avere un buon compromesso tra densità e liquidità alle varie temperature. Non troppo denso da opporre resistenza all’entrata in circolazione e non troppo liquido da sfuggire senza interporsi tra i metalli e senza raccogliere il calore da smaltire.

Rendimento di pompaggio

Aspirare aria/miscela all’interno di un cilindro obbliga il pistone ad un “lavoro” cioè quello di creare un vuoto, una zona dove la densità dell’aria è inferiore a quella presente nell’ambiente dentro il quale questo spazio è inserito.

Se proviamo a prendere una siringa e proviamo ad aumentarne il volume interno tenendo tappato il foro di ingresso sentiamo una resistenza e se rilasciamo la forza, il pistone della siringa ritorna a ridurre il volume del contenitore e anche se lasciamo uno spiraglio per far trafilare pressione dall’ambiente esterno avremo comunque difficoltà almeno sino a quando non si bilanceranno le due pressioni.

Nel motore accade lo stesso fenomeno (escludendo la presenza di un compressore), essendo rapido lo spostamento del pistone questo genera un vuoto che oppone resistenza al movimento sino a quando non si pareggiano le pressioni in gioco.

I passaggi di aria/miscela per riempire il cilindro devono essere quindi agevolati, Questo si ottiene innanzitutto con una corretta conformazione e un corretto dimensionamento dei condotti accompagnati da una ben calcolata lunghezza.

Tuttavia le misure restano variabili in base al regime di utilizzo del motore e l’unica possibilità di intervento resta l’ottimizzazione per un carico più consono alle necessità di progetto.

Talvolta si assiste a elementi ottimizzati per parametri diversi, questo aiuta ad ampliare il range di utilizzo del motore tuttavia senza ottimizzare nessuna condizione particolare, ma ovviamente risulta essere un compromesso quanto più accettabile possibile tra le varie condizioni di utilizzo.

I condotti devono essere quanto più ampli possibile ma il limite è il diametro della valvola. Più è possibile ampliare il diametro della valvola (o per meglio dire il “time area” ossia l’area media di apertura della valvola nel settore angolare della fase), più aria/miscela ha diametro disponibile attraverso i condotti e minor resistenza incontra il pistone nell’aspirarla.

La conformazione dei condotti permette la minor resistenza. Più il condotto è rettilineo più agevole risulterà il passaggio di aria ma per scorrere fluidamente il condotto deve essere sagomato e non rugoso, a non lucidato a specchio. Questo perché l’aria, percorrendo il condotto, forma sulla superficie uno strato di microturbolenze (detto “strato limite”) che gli permette di scivolare.

Per comprendere cos’è lo strato limite immaginiamo di osservare un fiume. Si noterà subito che al centro l’acqua del fiume scorre più velocemente mentre sulle rive sarà molto più lenta. Lo strato limite non è altro che quell’acqua lenta che fa scorrere velocemente l’acqua al centro.

E se andiamo ad osservare un canale artificiale, con le sponde lisce in cemento (e non frastagliate come in natura), noteremo che la zona cuscinetto (lo strato limite, appunto) è molto più ristretta.

La variazione di diametro del condotto permette allo strato limite di rimanere attaccato alle pareti ma se le pareti sono state lucidate lo strato limite che si forma si distaccherà occupando zone di transito del flusso e quindi riducendo il diametro effettivo del condotto.

Solo alle alte velocità avremo veramente un vantaggio con i condotti lucidati, ma questo significa avere un motore che risponde bene solo ad altissimi regimi perdendo tutti i vantaggi dati ai regimi intermedi (i più usati).

Anche le brusche variazioni di direzione e gli spigoli distaccano lo strato limite ed è per questo che vanno raccordati e arrotondati.

La lunghezza dei condotti agevola il riempimento grazie alle onde di risonanza che si vengono a creare che se ben coordinate permettono di avere una fase di aspirazione con una pressione gravante sulla valvola pronta a scaricarsi nel cilindro.

Anche durante la fase di scarico il pistone deve vincere la resistenza che oppone il gas esausto ad abbandonare la camera di combustione. Se è vero che la prima parte esce per eccesso di pressione mentre il pistone sta scendendo (quindi il movimento è favorevole al lasciare spazio ai gas), alla fine della fase resta solo il pistone a svuotare il cilindro e deve vincere le resistenze delle ostruzioni date dalla forma dei condotti e dei silenziatori compresa la presenza di una eventuale turbina.

Nello scarico la forma dei condotti è in pratica solo leggermente divergente nel primo tratto (sovente limitato alla sola testata) per poi essere cilindrico di un diametro tale da supportare i volumi di gas.

In questo caso lucidare a specchio i condotti, almeno nel primo tratto sino alla eventuale turbina, può essere un vantaggio, in quanto la lucidatura riflette il calore evitando di cederlo alla testata.

Anche per lo scarico la lunghezza dei condotti influisce sullo svuotamento e quindi sulla riduzione delle perdite di rendimento.

Conclusioni

Il compito di un preparatore è quello di ottimizzare tutte le parti in modo da ridurre le perdite di rendimento ed avvicinarsi il più possibile al rendimento ideale. La perfezione non esiste ma con la buona volontà si ottengono i risultati.

Lo Zingaro

1 Pignone Vercelli – Motori ad alta potenza specifica – Giorgio Nada Editore – 2016

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