Motore a scoppio: coppia, erogazione, masse volaniche, potenza e curve caratteristiche

Dopo aver parlato dell'evoluzione del motore a scoppio e di come funziona il motore a 2 e 4 tempi, oggi tratteremo delle prestazioni e dei rendimenti.
I motori a ciclo Otto e a ciclo Diesel sono trasformatori di energia: funzionano, infatti, convertendo parte del calore sviluppato dalla combustione in energia meccanica. In seguito allo scoccare della scintilla, dagli elettrodi della candela parte un fronte di fiamma che si propaga attraversando tutta la camera di combustione e accendendo via via tutta la massa di miscela aria-carburante contenuta. La combustione è un processo di ossidazione che si svolge con numerosi passaggi intermedi ed è notevolmente esotermico, ovvero è accompagnato da un forte sviluppo di energia termica. La temperatura aumenta rapidamente (durante la combustione si raggiungono valori anche dell'ordine di 2500°C) e così pure la pressione. Questa agisce sul pistone, spingendolo vigorosamente verso il PMI (fase di espansione). L'aumento di pressione è rapidissimo ma avviene comunque in maniera "graduale".
In sintesi, quella che viene fornita al motore dal carburante è un'energia chimica (potenziale), che la combustione trasforma in energia termica (calore), parte della quale viene convertita in energia meccanica e può quindi essere utilizzata.

LA COPPIA
La coppia è il prodotto di una forza per una distanza (tra l'asse e il punto di applicazione della forza stessa). 
È uno sforzo di torsione e prevede pertanto un asse di rotazione. Quando si apre e si chiude il tappo di una bottiglia si applica una coppia. Se si tenta di allentare con una chiave un grosso dado senza riuscirci, basta infilare sulla chiave stessa un lungo tubo a mo' di prolunga ed esercitando la medesima forza (ma ad una distanza maggiore dall'asse di rotazione) si genera una coppia molto più elevata. La coppia si esprime in Nm (Newton-metri). È importante sottolineare che si può esercitare una coppia anche in assenza di movimento (quando non riusciamo ad aprire il tappo ella bottiglia).
La coppia può essere aumentata o diminuita facendo ricorso ad ingranaggi, catene o cinghie. Quando un ciclista incontra una salita, innesta un rapporto più corto: a parità di di forza esercitata sui pedali può inviare alla ruota posteriore una coppia più elevata. Ciò viene però spesso ottenuto a spese della velocità di avanzamento: ferma restando la frequenza della pedalata, la bici procede più lentamente. Quello che non varia (salvo una piccola perdita dovuta agli inevitabili attriti) è il prodotto della coppia per la velocità di rotazione. Diminuendo quest'ultima, grazie ad un rapporto di trasmissione più corto, si aumenta la prima e viceversa.

Immagine estratta dal web.

EROGAZIONE E MASSE VOLANICHE
Come facciamo a calcolare la forza con cui i gas spingono il pistone verso il PMI durante la fase di espansione? Grossolanamente moltiplichiamo la pressione presente nella camera di combustione per la superficie del pistone (considerata come perfettamente piana, ossia la sezione trasversale del pistone). Questa forza viene trasmessa all’albero a gomito tramite lo spinotto e la biella e non agisce lungo l’asse dell’albero ma bensì sulla manovella. Così facendo “raccoglie” la forza in questione e la trasforma in coppia, cioè in sforzo di torsione convertendo un movimento rettilineo alternato del pistone (dal PMS al PMI) in movimento di rotazione dell’albero a gomito e viceversa in quanto, durante le fasi passive di funzionamento (aspirazione, compressione e scarico) è infatti l’albero che provvede a far muovere il pistone. L’irregolarità dell’erogazione diminuisce al crescere del numero dei cilindri del motore: è quindi massima nei monocilindrici che pertanto necessitano di rilevanti masse volatiche che, ruotando, disperdono l’energia che viene data loro durante il movimento. Se la massa volanica è corretta, il funzionamento del motore diventa più “rotondo” e regolare soprattutto ai bassi regimi.

L'immagine mostra come viene trasformato un moto rettilineo alternato del pistone in movimento di rotazione dell'albero a gomito - Immagine estratta dal web.

L'immagine mostra il pistone (10), lo spinotto (8), la gabbia a rulli (1), la biella (7).  La biella congiunge il pistone alla manovella (non mostrata in foto) mediante l'interposizione del perno di manovella - Immagine estratta dal web.

Immagine estratta dal web.

COPPIA E POTENZA
La pressione che agisce sul cielo del pistone durante la fase di espansione non è costante ma diminuisce avvicinandosi al PMI ed aumenta avvicinandosi al PMS. Di norma si prende in considerazione il valore medio: più questo è elevato e più vigorose sono le fasi utili e quindi di conseguenza più alta risulta la coppia erogata dal motore. La pressione dei gas (e indirettamente la coppia) è legata alla "respirazione" del motore, ovvero alla quantità di miscela aria-carburante che viene immessa nel cilindro ad ogni fase di aspirazione. Poiché il volume d'aria immesso cambia al variare della velocità, lo stesso accade per la coppia erogata. L'andamento della coppia in funzione del regime di rotazione viene indicato da un'apposita curva che viene calcolata usando un banco di prova. Il valore della pressione media che agisce sul pistone durante la fase di espansione è legato anche all'efficienza del motore come trasformatore di energia (rendimento termico, vedi dopo).
La potenza è la rapidità con la quale si compie un lavoro; si tratta quindi dell'energia meccanica che il motore è in grado di fornire nell'unità di tempo espressa in kW (kiloWatt) o in CV (Cavalli Vapore).

1kW = 1000 J/s = 1,36 CV

La coppia e la potenza sono due grandezza fisiche ben diverse anche se strettamente legate; la potenza infatti non è altro che la coppia moltiplicata per la velocità di rotazione. La potenza non varia dunque lungo il "percorso" dal motore alla ruota motrice, qualunque sia il rapporto di trasmissione.

CURVE CARATTERISTICHE
Come la coppia anche la potenza varia con la velocità di rotazione del motore e anche per quest'ultima esiste una curva caratteristica che consente di conoscere qualunque suo valore ai diversi regimi.
La curva di coppia cresce progressivamente all'aumentare della velocità di rotazione fino a raggiungere il suo valore massimo, dopodiché scende con gradualità differente.
La curva di potenza continua a salire anche dopo che la curva di coppia, raggiunto il valore massimo, ha iniziato a diminuire. Questo accade perché la diminuzione della coppia viene più che compensata dall'aumento del regime. Quindi il prodotto "coppia x velocità di rotazione" continua a crescere anche se meno rapidamente rispetto a prima.
Una volta che la potenza raggiunge il valore massimo, aumentando ancora la velocità di rotazione, essa diminuisce. 
Un ulteriore aumento di regime non è più in grado di compensare la diminuzione della coppia che diventa sempre più cospicua per una sorta di "crisi respiratoria". In tal caso si dice che il motore sta funzionando in "fuorigiri". 
L'andamento delle curve caratteristiche (curva di coppia e di potenza) sono fondamentali per conoscere il carattere dell'erogazione. Ci dicono per esempio se e in quale misura il motore diventa "nervoso" e richiede pertanto un intenso uso del cambio o se è elastico con un grande "tiro" anche ai bassi regimi e quindi un ampio campo di utilizzazione.

Immagine estratta dal web.

IL RENDIMENTO DEL MOTORE
Il concetto di rendimento è semplice: si tratta del rapporto tra ciò che si ottiene nella realtà e ciò che si dovrebbe ottenere idealmente o, se si preferisce, ciò che viene erogato in relazione a ciò che è stato fornito. Nel motore abbiamo fondamentalmente a che fare con tre rendimenti: termico, meccanico e volumetrico.

  • Il rendimento termico è a sua volta costituito da una serie di altri rendimenti (di combustione, di trattenimento, del ciclo..). Può essere definito come rapporto tra energia meccanica "raccolta" dal pistone e l'energia teoricamente disponibile, ovvero quella contenuta nel carburante e trasformata in calore dalla combustione. Indica con quale efficacia il motore utilizza l'energia che gli viene messa a disposizione, cioè quanto è valido come "macchina termica". Il rendimento termico cresce, anche se non linearmente, con il rapporto di compressione. Attenzione perché un eccessivo incremento del rapporto di compressione determina il fenomeno di Detonazione. Non tutta l'energia meccanica "raccolta" dal pistone giunge alla trasmissione: una parte si perde per gli attriti tra le parti mobili e fisse, per il pompaggio passivo compiuto dal pistone per aspirare ed espellere i gas dal cilindro, per l'azionamento della distribuzione, per le pompe dell'olio e dell'acqua, e a causa dello "sbattimento" dell'olio e della ventilazione interna.
  • Il rendimento meccanico rappresenta il rapporto tra l'energia meccanica che "esce" dal motore (ovvero che viene fornita alla trasmissione) e quella a disposizione a livello del pistone. Questo rendimento diminuisce all'aumentare del regime di rotazione.
  • Il rendimento volumetrico ci dice quanto il motore "respira" bene. Rappresenta il rapporto fra la quantità d'aria che effettivamente entra nel cilindro a ogni fase di aspirazione e quella che teoricamente dovrebbe entrarci (rapporto tra la massa d'aria realmente aspirata e quella che, a pressione ambiente, occupa un volume eguale alla cilindrata). Al crescere del rendimento volumetrico aumenta la "vigoria" delle singole fasi utili che hanno luogo all'interno del motore e quindi sale la potenza che, a quel dato regime di rotazione, il motore fornisce. Il rendimento in questione cambia al variare del regime; raggiunge il valore massimo ad una data velocità di rotazione (coppia massima) dopodiché diminuisce in modo più o meno progressivo.
Nei motori a ciclo Otto l'erogazione di potenza viene controllata agendo sul rendimento volumetrico per mezzo della valvola a farfalla comandata dalla manopola del gas; la respirazione è perfettamente libera (e quindi il rendimento è massimo) quando la valvola è del tutto aperta, il che avviene quando la manopola dell'acceleratore è ruotata completamente.


L'articolo è stato parzialmente tratto da "Manuale della moto" di Massimo Clarke, Mondatori.
Un ringraziamento speciale va inoltre ad Andrea Giovannini che mi ha aiutato nella stesura.

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See you soon on the road,
Jack