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Tecnica, Motori sempre più efficienti

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Per ridurre il consumo è vitale migliorare il rendimento termico (ma anche quello meccanico dà il suo contributo)

I motori a pistoni, tanto a ciclo Otto quanto a ciclo Diesel, sono dei trasformatori di energia. Funzionano infatti convertendo il calore sviluppato dalla combustione di una miscela di aria e carburante, che ha luogo al loro interno, in energia meccanica. La loro efficienza purtroppo non è elevata e solo una parte della energia fornita dal carburante viene effettivamente utilizzata. Inevitabilmente una parte considerevole finisce sprecata allo scarico e un’altra (essa pure cospicua) viene assorbita dalle pareti metalliche a contatto con i gas per venire quindi ceduta al sistema di raffreddamento. Negli ultimi anni i tecnici hanno intensificato gli sforzi per migliorare la situazione, cioè per incrementare l’efficienza complessiva dei motori, aumentando il rendimento termico e per quanto possibile anche quello meccanico.

Sui motori a benzina si è diffusa l’iniezione diretta ed è aumentata la possibilità di utilizzare miscele con dosatura notevolmente magra. Proprio di recente, hanno iniziato ad apparire sistemi che consentono di variare il rapporto di compressione. E ci sono anche motori con “espansione prolungata”, dei quali parleremo prossimamente. L’obiettivo è quello di sfruttare nella maniera migliore l’energia contenuta nel carburante e quindi resa disponibile dalla combustione (che ovviamente deve essere quanto più completa possibile). In altre parole, di aumentare il rendimento termico. In questi casi si lavora per diminuire i consumi (e quindi le emissioni di CO2) e non certo per migliorare le prestazioni! Se l’obiettivo è quello di incrementare al massimo queste ultime, le strade da seguire infatti sono altre, a cominciare dalla adozione di un alesaggio nettamente superiore alla corsa.

La serie dei recenti motori Honda VTEC Turbo, prodotti in tre diverse cilindrate, costituisce un eccellente esempio di come sia possibile ottenere ottime prestazioni (grazie alla sovralimentazione), unitamente a consumi ridotti
La serie dei recenti motori Honda VTEC Turbo, prodotti in tre diverse cilindrate, costituisce un eccellente esempio di come sia possibile ottenere ottime prestazioni (grazie alla sovralimentazione), unitamente a consumi ridotti

La potenza non è altro che il regime di rotazione moltiplicato per la coppia, che a sua volta è il prodotto della cilindrata per la pressione media effettiva (PME). Dunque, per avere tanti cavalli occorre che il motore giri forte e che la PME sia elevata. Negli aspirati serve perciò una respirazione eccellente, ovvero un ottimo rendimento volumetrico, unitamente a elevate velocità di rotazione mentre nei motori sovralimentati si fa ricorso a una alta pressione di alimentazione. Per quanto riguarda i primi, basta osservare con un minimo di attenzione i motori delle motociclette sportive. Le 1000 a quattro cilindri hanno oggi una potenza di circa 200 cavalli a un regime dell’ordine di 13000-13500 giri/min. È difficile immaginare che un motore con un manovellismo multi-link, come quello impiegato sul recentissimo VC-Turbo Nissan-Infiniti, possa ruotare a 10.000 giri/min e oltre…

Sui motori a benzina turbo di ultimissima generazione iniziano ad essere impiegati pistoni con canalizzazione di raffreddamento (mediante circolazione di olio), in precedenza utilizzati esclusivamente sui diesel
Sui motori a benzina turbo di ultimissima generazione iniziano ad essere impiegati pistoni con canalizzazione di raffreddamento (mediante circolazione di olio), in precedenza utilizzati esclusivamente sui diesel

L’evoluzione motoristica segue dunque strade diverse a seconda che abbia come traguardo il conseguimento di potenze molto elevate negli aspirati o consumi sempre minori. In questo secondo caso il ricorso alla sovralimentazione può comunque consentire ottimi risultati anche in termini di prestazioni, come dimostrato da molti motori moderni. Fondamentale è l’impiego del rapporto di compressione più alto che il motore può “sopportare” senza che si verifichi la detonazione; parallelamente, per limitare il consumo si fa in modo di impiegare miscele a titolo assai magro in zone sempre più estese del campo di impiego del motore. E al tempo stesso, come già detto, si interviene per ridurre le perdite per attrito e per pompaggio, ovvero per migliorare il rendimento meccanico. Per dare un’idea di quanto accurata possa essere l’attenzione anche a livello di dettaglio, basta pensare alle pompe dell’olio a portata variabile; la loro adozione, al posto di quelle tradizionali, consente di ottenere una riduzione del consumo che va dall’1 al 2,5 %, grazie al minore assorbimento di potenza.

L’impiego delle distribuzioni a fasatura variabile può contribuire a diminuire i consumi. L’immagine consente di comprendere agevolmente come funziona la più diffusa versione del ben noto sistema VTEC della Honda, che permette anche di impartire alle valvole due alzate differenti (ridotta per i bassi regimi e maggiore per gli alti)
L’impiego delle distribuzioni a fasatura variabile può contribuire a diminuire i consumi. L’immagine consente di comprendere agevolmente come funziona la più diffusa versione del ben noto sistema VTEC della Honda, che permette anche di impartire alle valvole due alzate differenti (ridotta per i bassi regimi e maggiore per gli alti)

Altri interessanti esempi di soluzioni oggi adottate per ridurre i consumi, in un motore che è al tempo stesso in grado di fornire una elevata potenza specifica, ci vengono forniti dal recente Honda VTEC Turbo di 1000 cm3. Grazie alla sovralimentazione questo tricilindrico a corsa lunga eroga 129 CV, valore che per un motore automobilistico di serie è assai notevole in relazione alla cilindrata, a soli 5500 giri/min. In questa sede però ci interessa di più il rendimento termico, che raggiunge l’eccellente valore di 0,35. Ciò si traduce in un consumo specifico molto basso, e la cosa più importante è che esso rimane al di sotto di 176 g/CV h per una zona molto ampia del campo di utilizzazione. In questo motore vengono impiegati pistoni raffreddati con una canalizzazione anulare per il passaggio dell’olio (che sottrae una cospicua quantità di calore). La temperatura del cielo è quindi contenuta e ciò agevola l’adozione di un rapporto di compressione leggermente più alto (10, valore molto elevato per un motore turbo) rispetto a quello che in questo motore si potrebbe adottare con i pistoni tradizionali.

Per ottenere elevate prestazioni anche da motori di cilindrata ridotta, vantaggiosi per quanto riguarda la limitazione dei consumi, si fa ricorso alla sovralimentazione mediante turbocompressore (qui mostrato nella sua versione più semplice), adottando considerevoli pressioni di alimentazione. Il grande nemico pure in questo caso è la detonazione…
Per ottenere elevate prestazioni anche da motori di cilindrata ridotta, vantaggiosi per quanto riguarda la limitazione dei consumi, si fa ricorso alla sovralimentazione mediante turbocompressore (qui mostrato nella sua versione più semplice), adottando considerevoli pressioni di alimentazione. Il grande nemico pure in questo caso è la detonazione…

In questo motore a tre cilindri in linea fornisce il suo contributo alla riduzione dei consumi, facendo migliorare il rendimento meccanico, anche il termostato a controllo elettronico che si apre a ben 103 °C, per mantenere alta la temperatura del motore (e quindi anche dell’olio, che pertanto è meno viscoso) ai bassi carichi. Quando però si richiedono le prestazioni più elevate il termostato viene fatto aprire a una temperatura minore. Importante è l’apporto fornito dalla distribuzione a fasatura variabile VTC (su entrambi gli alberi a camme) e dal sistema VTEC che agisce solo alla aspirazione e modifica sia l’alzata che la durata di apertura delle valvole. La strategia di intervento di entrambi, opportunamente “accordata”, viene stabilita dalla centralina. Il risultato è una riduzione del consumo del 2%, in larga misura dovuta alle minori perdite per pompaggio.

Niente turbo, qui! Per fornire potenze specifiche straordinarie in campo motociclistico si adottano soluzioni analoghe a quelle impiegate dai motori di Formula Uno aspirati dei primi anni Duemila. Questo è un quadricilindrico Yamaha R1 di 1000 cm3, che eroga 200 CV a 13500 giri/min
Niente turbo, qui! Per fornire potenze specifiche straordinarie in campo motociclistico si adottano soluzioni analoghe a quelle impiegate dai motori di Formula Uno aspirati dei primi anni Duemila. Questo è un quadricilindrico Yamaha R1 di 1000 cm3, che eroga 200 CV a 13500 giri/min

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