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Mattia Piron

Ingegnere Meccanico, proveniente da una famiglia di motociclisti, appassionato di moto e motori fin da bambino.

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Miscellanea

Elaborazione

September 20th, 2018

Per aumentare la potenza dei motori a 4 tempi, possiamo lavorare su diverse aree. La potenza è data da:

Con:

  • η = rendimento utile del motore;
  • ρ 0 = densità dell'aria [kg/m3];
  • Z = numero di cilindri;
  • S = area di un pistone [m2];
  • n = numero di cilindri;
  • Hi = potere calorifico del combustibile [J/kg];
  • u = velocità media del pistone [m/s];
  • α t = rapporto aria/combustibile;
  • T = tempi del motore [2 o 4].

In forma compatta, possiamo scrivere:

Dove PME sta per Pressione Media Effettiva. Utilizzando le unità di misura proposte, la potenza così ottenuta sarà in Watt. Sarà sufficiente dividere quel valore per 735 per ottenere la potenza in cavalli.

Se vogliamo aumentare la potenza di un motore, dovremo aumentare i valori a numeratore della formula, o diminuire quelli a denominatore. Non possiamo aumentare il numero di cilindri di un motore esistente, il rapporto aria/combustibile per un motore a ciclo Otto dovrà essere circa costante (anche se questa formula dimostra che un valore leggermente più basso, ovvero una miscela ricca, porta a più potenza), il potere calorifico del combustibile non varia, a meno di utilizzare miscele o combustibili speciali (un esempio sono le moto da speedway, che bruciano alcol metilico) e i tempi del motore sono fissati.

Possiamo lavorare su:

  • Superficie dei pistoni;
  • densità dell'aria;
  • rendimento;
  • velocità media del pistone.

Superficie dei pistoni

Non c'è molto da dire a riguardo. Sostituendo cilindri e pistoni con altri di dimensione maggiore, si produrrà un immediato aumento di potenza. Probabilmente si tratta dell'elaborazione più diffusa, specialmente in monocilindri a 2 tempi sotto i 125cc. Inutile dire che l'aumento del peso del pistone, e il conseguente aumento della forza dei gas che spingono sulla superficie dello stesso, portano ad una diminuzione della vita della biella.

Densità dell'aria

Più l'aria è densa, più benzina si miscela ad essa, e di conseguenza più energia avrà lo scoppio in camera di combustione. La cosa è intuitiva, ed avvertibile a chiunque che, salendo in montagna, noterà una certa perdita di potenza del proprio motore. Questo rappresentava un vero e proprio problema quando, nel passato, motori a combustione interna equipaggiavano aerei che si ritrovavano in quota con la potenza dimezzata rispetto al decollo. Nacque così il turbocompressore. Esso permette l'ingresso di una maggiore quantità di aria in camera di combustione, inoltre la pressione in ingresso viene controllata e mantenuta circa costante, anche con variazioni della pressione atmosferica. Per questo motivo chi di voi guida un auto turbo, probabilmente non noterà alcuna perdita di potenza salendo in montagna.

Rendimento

Ogni combustibile contiene una certa dose di energia. Bruciando tale combustibile all'interno di una camera di combustione, trasformiamo questa energia in potenza. Solo il 15-20% di questa energia diventa effettivamente potenza meccanica trasmessa alle ruote. Il resto viene perso in attriti e calore.

In sostanza, il lavoro di un elaboratore è quello di aumentare quanto più possibile questo rendimento, riducendo le perdite. Vanno ridotte le perdite meccaniche, ovvero tutti quegli strisciamenti non voluti, dovuti a tolleranze troppo larghe o disallineamenti di alberi ed ingranaggi, e le perdite aerodinamiche, ovvero condotti con curve troppo brusche, o con strozzature, o con superfici troppo scabre che portano a turbolenze indesiderate nel fluido.

Il rapporto di compressione viene aumentato, incrementando il rischio di detonazione, ovvero di autoaccensione della miscela aria/benzina. Tutta la superficie della camera di combustione deve essere lucidata a specchio, ed eventuali spigoli vanno rimossi, in modo da ridurre la presenza di punti di innesco.

Anche i condotti di scarico vanno lucidati a specchio, riducendo il rischio di adesione di depositi carboniosi. I condotti di aspirazione non devono essere lucidati a specchio, avrebbe l'effetto di far "incollare" l'aria alle pareti. Devono mantenere una certa rugosità superficiale per permettere la presenza di uno strato limite aerodinamico, migliorando il flusso di aria.

Dimensionamento della trombetta

La trombetta di aspirazione è la porzione finale del condotto di aspirazione, avente la forma di una tromba (o di un cono). La sua presenza è necessaria per aiutare l'ingresso dell'aria nel condotto di aspirazione, e fornire una sorta di "effetto sovralimentazione". L'area massima della trombetta di aspirazione sarà:

  • At = area massima della trombetta [m2];
  • u = velocità media del pistone [m/s];
  • S = area dello stantuffo [m2];
  • Cs0 = velocità del suono [m/s];

Al termine dell'area massima di questa trombetta, ci dovrà essere il cosiddetto "boccaglio", ovvero una zona arrotondata che guida il fluido dall'ambiente esterno all'inizio della trombetta. Questa zona avrà idealmente un area doppia rispetto all'area massima della trombetta.

Dimensionamento condotto di aspirazione

Il condotto di aspirazione inizia dalla(e) valvola(e) di aspirazione e termina all'imbocco della trombetta. Dovrà avere una determinata lunghezza, definita dalla formula seguente:

  • L = lunghezza dalla valvola di aspirazione alla fine della trombetta [m];
  • Cs = velocità del suono, si può assumere pari a 340 [m/s];
  • n = regime di potenza massima [RPM];
  • K = frazione tratto cilindrico del condotto. Se K = 0.5, metà condotto sarà cilindrico, l'altra metà sarà conico;
  • u = velocità media del pistone [m/s];
  • S = area di un pistone [m2];
  • Ac = area zona cilindrica [m2];
  • Amt = area media zona trombetta [m2]

Cassonetto di aspirazione

L'unico scopo del cassonetto di aspirazione (cassa filtro) è quello di fornire costantemente aria fresca al condotto. Infatti, in un condotto ben dimensionato, questo non sarebbe necessario. Tuttavia, c'è il rischio che il motore aspiri aria calda, se le trombette di aspirazione sono all'interno del vano motore, o aria turbolenta. La presenza della cassa filtro permette di avere una zona contenente aria fresca e sempre presente, e magari anche a pressione maggiore di quella atmosferica. Nel caso in cui la scatola filtro debba funzionare anche da silenziatore di aspirazione, e di conseguenza il condotto debba essere di sezione ristretta, va dimensionata sfruttando la risonanza di helmholtz, tramite la formula seguente:

  • A = area del condotto [m2];
  • V = volume della cassa [m3];
  • L = lunghezza del condotto [m];
  • n = regime di potenza massima [RPM];
  • Z = numero cilindri;
  • Cs0 = velocità del suono, si può assumere pari a 340 [m/s];
  • T = tempi (2 o 4) del motore

Sono possibili infinite combinazioni. Si può imporre un determinato volume e lunghezza del condotto, e tramite questa formula si calcola l'area, o si impone l'area e il volume e si calcola la lunghezza, e via così.

Impianto di scarico

In un motore pluricilindrico, l'impianto di scarico è formato da tubi collegati direttamente alla testata del motore (i collettori di scarico), che si uniscono in un unico tubo terminale. In realtà sono possibili molte configurazioni, ci limitiamo in questo sito a dare solo un infarinatura generale.

Il diametro dei collettori di scarico viene scelto empiricamente, e generalmente ha una sezione pari a 1.4-1.5 volte la sezione minima del condotto di aspirazione. La lunghezza viene calcolata con la formula seguente:

  • L = lunghezza del collettore [m];
  • Ts = temperatura media gas di scarico [K];
  • Ta = temperatura aria in aspirazione [K];
  • n = regime di potenza massima [RPM];
  • θ = angolo di anticipo della valvola di scarico [rad];
  • u = velocità media del pistone [m/s];
  • S = area di un pistone [m2];
  • As = sezione del tubo di scarico [m2];

La temperatura dei gas da utilizzare nella formula è quella media. Per calcolarla, si può considerare che la temperatura dei gas in uscita dal cilindro cala di circa 100 °C ogni 20 diametri di lunghezza.

I collettori confluiranno in un terminale di scarico, avente lunghezza:

  • Lt = lunghezza del terminale [m];
  • Zt = numero cilindri;
  • Vu = cilindrata unitaria [m3];
  • St = sezione del terminale [m2];
  • ηv = rendimento volumetrico del motore;

La lunghezza così calcolata potrebbe essere troppo elevata, in tal caso è possibile utilizzare un suo sottomultiplo.

Velocità media del pistone

I pistoni dei motori prettamente sportivi superano i 20 m/s di velocità media, e possono raggiungere i 25 m/s. Motori più tranquilli hanno valori decisamente più bassi, nell'intorno dei 15-18 m/s, mentre motori diesel possono anche non arrivare a 10 m/s. Aumentare questo valore non è banale, in quanto anche i condotti di aspirazione e scarico devono essere dimensionati adeguatamente. Il problema maggiore, però, è nella resitenza meccanica. Tali velocità implicano accelerazioni importanti del gruppo biella/pistone, con conseguenti forze dinamiche elevatissime. Ogni componente deve essere progettato per resistere a tali sollecitazioni, quindi non è possibile aumentare di molto questo valore.

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