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ELABORAZIONE DEI MOTORI A 4 TEMPI


Una elaborazione, ovvero un aumento di potenza, del motore può essere ottenuta in vari modi. Analizziamo innanzitutto la formula della potenza dei motori alternativi, in modo da capire su quali aree si può lavorare per aumentarla.
formula potenza 1
Dove eta è il rendimento utile del motore, rho la densità dell’aria, Z il numero di cilindri, S l’area dei pistoni, Hi il potere calorifico del combustibile, u la velocità media del pistone, alfa il rapporto aria/combustibile e T i tempi del motore (2 o 4). In forma più compatta:
formula potenza 2
Dove PME rappresenta la Pressione Media Effettiva del motore. Se vogliamo elaborare un motore, significa che partiamo da un motore già esistente, quindi il numero di cilindri è fisso, il rapporto aria/combustibile anche, e nel caso di motore a benzina dovrà essere il più vicino possibile al rapporto stechiometrico (leggermente più grasso per migliorare le prestazioni, leggermente più magro per migliorare i consumi), anche il potere calorifico del combustibile dovrà essere una costante, a meno che non decidiamo di utilizzare carburanti speciali. Quindi, per migliorare le prestazioni dovremo lavorare sul rendimento del motore, sulla densità dell’aria, sulla superficie dei pistoni e sulla velocità media effettiva dei pistoni.
In parole povere, possiamo:
  1. Aumentare la Pressione Media Effettiva del motore
  2. Aumentare la superficie dei pistoni (ovvero, aumentare la cilindrata del motore)
  3. Aumentare il massimo numero di giri

Naturalmente, tanto più un motore verrà elaborato, tanto più aumenterà la probabilità di rottura. Iniziamo a vedere questi tre punti.

Aumento della Pressione Media Effettiva


Come si può vedere facilmente uguagliando le due formule sopra, per aumentare la pressione media effettiva possiamo aumentare la densità dell’aria o aumentare il rendimento del motore.
Per quanto riguarda l’aumento della densità dell’aria, è quello che viene fatto aggiungendo la sovralimentazione ad un motore, che può essere meccanica (tramite turbocompressore, compressore volumetrico ecc…) oppure chimica (protossido di azoto). In un motore turbo, quindi, aumentando la pressione di sovralimentazione (e aumentando di conseguenza la quantità di carburante iniettato) è possibile migliorare molto le prestazioni del motore. In un motore aspirato è possibile aggiungere un impianto di sovralimentazione, a patto di rispettare determinate condizioni. Innanzitutto, un motore nato per essere aspirato avrà rapporti di compressione più elevati rispetto ad un motore turbo, quindi quando viene aggiunta la sovralimentazione questa non può superare certi valori. Generalmente, si può sovralimentare un motore aspirato fino a 0.3-0.5 bar senza la necessità di modifiche importanti, oltre queste pressioni va rimaneggiato tutto il motore.
Per aumentare la PME poi parlavamo di un aumento del rendimento del motore. Questa è la parte generalmente più utilizzata dagli elaboratori. Infatti, dato un certo motore, aumentarne il rendimento significa diminuire al massimo tutte le perdite, e le perdite sulle quali noi possiamo lavorare sono quelle per attrito sia meccanico, che fluidodinamico. Iniziamo dalle lavorazioni meccaniche all’interno del motore.

Lavorazioni meccaniche sul motore


Come avevo specificato prima, più un motore viene elaborato e più aumenta il rischio di rottura. La prima modifica che possiamo fare quindi sarà quella di scongiurare, per quanto possibile, il rischio di sbiellamento lucidando a specchio la superficie delle bielle. Le bielle infatti vengono realizzate per fusione o fucinatura, con acciai da cementazione, poi vengono ramate (ovvero ricoperte da un sottile strato di rame), quindi vengono lavorati i fori di piede e testa, dove effettivamente la biella dovrà lavorare, che poi vengono cementati e rettificati. La cementazione consiste in un aumento della percentuale di carbonio all’interno dell’acciaio, dopo la quale il pezzo viene temprato risultando più duro nelle zone cementate. La biella viene ricoperta di rame in modo da ottenere una zona cementata, e quindi più dura, solo nei fori, per ridurre l’usura, mentre il resto della biella rimane dell’acciaio di partenza. Naturalmente, la finitura superficiale della zona ramata è quella data dalla fusione, ovvero m olto ruvida, e questo può aumentare le probabilità di innesco di cricche, e quindi può aumentare la probabilità di rottura. La lucidatura naturalmente non va eseguita nelle zone rettificate, le quali devono rimanere rettificate.
Dopo questa prima modifica, si può lavorare sulla riduzione degli attriti meccanici. Quindi, lavorazione di barenatura del banco motore e della testa, dove ruotano gli alberi a camme, e bronzine nuove. Può essere che in un motore di serie i supporti di banco non siano perfettamente allineati, ma potrebbero essere fuori tolleranza. Anche se si parla di decimi o centesimi di millimetro, questa mancata tolleranza porta a maggiori attriti sulle bronzine, e la perdita di potenza può essere non trascurabile.
Parliamo adesso di lavorazioni sulla testata. Prima di tutto, è bene sapere che più il rapporto di compressione è alto, e più alto è il rendimento del motore, di conseguenza più aumenta la potenza. Naturalmente, il rapporto di compressione non può andare oltre a certi limiti, dettati dalle proprietà antidetonanti delle benzine utilizzate. Però, nei motori stradali, il rapporto di compressione è spesso tenuto più basso per motivi di sicurezza, specialmente in considerazione delle basse finiture superficiali della testata. Un motore, infatti, può detonare (in gergo, “battere in testa”) non solo perché si supera il rapporto di compressione massimo ammissibile dalla benzina, ma anche perché all’interno della testata possono esserci dei punti di innesco, ovvero dei punti più caldi che facilitano l’innesco della autoaccensione. Questi possono essere spigoli, bave di lavorazione, depositi carboniosi. Una lavorazione possibile è quindi lucidare a specchio la camera di combustione, in modo da ridurre probabili inn eschi e ridurre la probabilità di adesione di depositi carboniosi, e poi bisogna togliere (arrotondare) eventuali spigoli. Dopo queste lavorazioni, è possibile aumentare leggermente il rapporto di compressione, naturalmente non c’è una regola precisa su quanto è possibile aumentarlo e dipende da motore a motore.
Possiamo adesso lavorare i condotti di aspirazione e scarico. Preparatori professionisti lavorano la testata eliminando materiale in determinati punti, allo scopo di migliorare il flusso di aria attraverso il condotto. Naturalmente si tratta di una modifica rischiosa, in quanto non si è a conoscenza di quanto spessore di materiale abbiamo prima di bucare la testa, inoltre sono modifiche che vanno fatte da chi ha una certa conoscenza fluidodinamica. Quindi, anche se il miglioramento è certamente inferiore, è meglio lavorare i condotti solo per quanto riguarda la finitura superficiale. I condotti originali presentano infatti la finitura superficiale data dalla fusione, inoltre potrebbero esserci bave non rimosse e scalini dati dallo stampo. È quindi importante rimuovere tutte queste impurità del condotto, e renderlo il più omogeneo possibile. Un normale motore a 16 valvole ha nella maggior parte dei casi un condotto singolo, che poi si sdoppia per andare a servire le due valvole. È quindi presente un setto c entrale che divide i due condotti. Molti preparatori lavorano questo setto a lama, credendo così di migliorare il flusso di aria. In realtà, questa è una dimostrazione di ignoranza fluidodinamica, perché all’interno dei condotti di aspirazione le velocità dell’aria sono subsoniche, quel setto quindi dovrà essere arrotondato, non a lama.
lavorazione condotti

Vediamo ora la finitura. L’ottimale è realizzare una finitura a specchio nei condotti di scarico, mentre dovrà avere una certa rugosità nei condotti di aspirazione. Questo perché se lavoriamo a specchio il condotto di aspirazione, si avrà un effetto di incollaggio dell’aria alle pareti, che quindi rallenterà tutto il flusso (il condotto si comporta come se avesse un diametro inferiore di quello effettivo). Mantenere una certa rugosità, invece, genera una microturbolenza sullo strato limite, ovvero sullo strato dell’aria a contatto con le pareti del condotto, la quale farà “scivolare” l’aria soprastante, con un ottimizzazione del flusso. Per ottenere questo, si può lucidare a specchio il condotto, e poi lo si “rovina” passando una carta vetrata a grana sottile. Il condotto di scarico, invece, va lucidato a specchio prevalentemente per evitare l’adesione di depositi carboniosi.
Lavorato il motore, bisogna ora pensare ai sistemi di alimentazione e scarico, che nei motori stradali sono molto ostruiti per sottostare alle normative vigenti in termini di rumore e inquinamento, e quindi riducono molto il rendimento complessivo. Naturalmente, dopo aver eseguito tutte queste modifiche il motore non sarà più omologato per l’utilizzo su strada.

Dimensionamento sistema di aspirazione


Il sistema di aspirazione è composto da un condotto che preleva l’aria dall’esterno, una cassa filtro, così chiamata perché contiene il filtro dell’aria, e dal condotto che collega la cassa filtro al collettore di aspirazione sulla testata del motore. Spesso si vede, come modifica “casalinga”, la rimozione completa del cassonetto di aspirazione, al quale viene sostituito un semplice filtro a cono che aspira in aria libera. Questa modifica non è molto efficiente, così facendo infatti i filtri aspirano aria all’interno del vano motore, per cui aspirano aria calda, meno densa e questo, come abbiamo dalla formula della potenza, riduce la PME e di conseguenza la potenza del motore. Inoltre, aspirano aria che può essere turbolenta, oppure a pressione anche inferiore di quella ambiente. Scopo principale del cassonetto di aspirazione, infatti, è fornire aria al motore che sia il più fresca e meno turbolenta possibile. Per questo motivo, le moto o certe auto sportive hanno le prese d’aria poste sulla zona anteriore , per sfruttare la velocità del veicolo per mettere in leggera pressione l’aria all’interno della cassa filtro. Se anche questo non è possibile, è comunque possibile dimensionare la cassa filtro in modo da fornire al motore la massima quantità di aria ai regimi ottimali di funzionamento. La cassa filtro, infatti, è composta da un contenitore e un condotto che aspira aria dall’esterno, si comporterà quindi come un risuonatore di Helmholtz, e avrà quindi una sua frequenza di risonanza. È bene far coincidere questa frequenza di risonanza alla frequenza corrispondente al regime di coppia massima del motore. La formula della risonanza di Helmholtz è:
risonanza Helmholtz
Dove f è la frequenza di risonanza [Hz], v la velocità del suono [m/sec], A l’area del condotto [m^2], V il volume della cassa [m^3] e L la lunghezza del condotto [m]. Vanno poi considerati gli effetti dinamici, per cui la lunghezza del condotto reale sarà maggiore di quella “fisica”, per via del fatto che l’aria che scorre all’interno ha una certa inerzia. Si assume normalmente una lunghezza pari a:
lunghezza condotto Helmholtz
Dove D è il diametro del condotto e Li la lunghezza “fisica”. La frequenza alla quale andrà accordato il condotto sarà:
frequenza accordo cassa filtro
Dove n è il regime di coppia massima [giri/min], Z il numero di cilindri e T i tempi del motore (2 o 4). Quindi, ora conosciamo la frequenza di accordo della cassa filtro, possiamo trovare le varie combinazioni di area-lunghezza-volume che ci danno quella frequenza di risonanza. Naturalmente, essendo una equazione in tre incognite, le soluzioni possibili sono infinite.
dimensionamento cassa filtro
Possiamo ad esempio imporre un certo volume della cassa filtro e un certo diametro del condotto e troviamo la lunghezza del condotto, o qualsiasi altra combinazione. La lunghezza trovata sarà quella vista dal fluido, quella fisica sarà Li e sarà quindi più corta, come visto nella formula sopra.

Dimensionamento impianto di scarico


Scopo del condotto di scarico in un motore aspirato è quello di minimizzare le perdite per attrito (la contropressione deve essere minima) e massimizzare l’intensità dell’onda di depressione al regime di coppia massima, per massimizzare il riempimento del cilindri durante la fase di incrocio (e quindi per migliorare il rendimento volumetrico). Nei motori turbo, invece, tutte le onde di pressione prodotte dal motore vengono perse all’interno della turbina, quindi l’impianto di scarico ha la funzione di aumentare il rendimento della turbina, le formule che vedremo ora quindi non valgono per motori turbo.
Per quanto riguarda la sezione del tubo, si utilizza un criterio empirico, dovrà essere pari a circa 1.4-1.5 volte la sezione minore del condotto di aspirazione. Dobbiamo ora definire la lunghezza del tubo primario di scarico, considerato a sezione costante.
lunghezza collettore di scarico
Dove Ts è la temperatura media dei gas di scarico [K], n il regime di potenza massima del motore [giri/min], teta è l’angolo di anticipo di apertura della valvola di scarico [rad], u la velocità media del pistone [m/sec], S la superficie del pistone [m^2], As la sezione del tubo di scarico [m^2], Ta la temperatura dell’aria in aspirazione [K]. Per quanto riguarda la temperatura dei gas di scarico, bisogna considerare che i gas si raffreddano, quindi va utilizzata una temperatura media. In media, si può considerare una perdita di temperatura di 100 gradi ogni 20 diametri di lunghezza. La lunghezza così trovata è espressa in metri. Questa è la lunghezza dei collettori primari, che andranno poi a confluire in un unico terminale di scarico che avrà lunghezza:
lunghezza terminale di scarico
Dove Zt è il numero di cilindri, Vu la cilindrata unitaria [m^3], St la sezione del terminale [m^2] e etav è il rendimento volumetrico del motore, che può essere anche maggiore di 1. Il termine tra le parentesi tonde è, in sostanza, la velocità dei gas nel terminale. La lunghezza così trovata è spesso troppo elevata, si preferisce allora scegliere un suo sottomultiplo, stando comunque attenti a non scendere sotto una lunghezza di 5 diametri. Per ridurre le perdite di riflessione, si può fare tutto il terminale leggermente a megafono.
Non mi soffermo sull’aumento della cilindrata del motore, in quanto si tratta solo di acquistare un kit di maggiorazione della cilindrata, e installarlo. Vediamo invece il terzo punto:

Aumentare il massimo numero di giri


Questo è un sistema, all’apparenza, facile per aumentare le prestazioni del motore. La formula della potenza è infatti proporzionale alla velocità media effettiva del pistone, che si può calcolare:
velocità media del pistone
Dove n è il numero di giri [giri/min] e C la corsa del motore [m]. La velocità media così trovata è in [m/sec]. Naturalmente, si nota che la velocità media è proporzionale al numero di giri, questo significa che raddoppiare il massimo numero di giri significa raddoppiare la velocità media del pistone, e significa raddoppiare la potenza. Naturalmente, non è possibile raddoppiare il numero di giri di un motore, il limite è tecnologico, ovvero si può arrivare al cedimento delle parti meccaniche, che non riescono a sopportare le sollecitazioni imposte da tali regimi di rotazione. Se poi partiamo da motori già sportivi, e quindi con regimi di rotazione già elevati, è difficile riuscire ad incrementarli ulteriormente. Valori tipici della velocità media del pistone sono intorno ai 20 m/sec per motori a ciclo otto, possono arrivare a 24 in motori sportivi, nel campo dei go-kart con i motori 100cc a due tempi si arriva anche a 30 m/sec. Nel caso dei motori diesel, il limite è dato dalla combustione del gasolio, più lenta rispetto a quella della benzina, per cui un motore diesel non può generalmente superare i 4500-5000 giri/min, e la velocità media va di conseguenza, anche se generalmente si rimane intorno ai 10-12 m/sec. Cosa limita il massimo regime di giri di un motore? Prima di tutto, esiste il limitatore di giri elettronico, primo passo per aumentare il regime di rotazione è quindi cambiare o rimappare la centralina. Il limitatore di giri però esiste per non oltrepassare il limite che può portare a rottura il motore, quindi quando si aumenta il regime di rotazione bisogna essere ben consapevoli di ciò che si sta facendo, e soprattutto bisogna essere consapevoli del fatto che poi il motore sarà meno affidabile. Vanno poi verificate e, nel caso, sostituite, le molle delle valvole con altre più dure. Queste infatti sono progettate per il massimo regime di rotazione di progetto, se questo regime aumenta le molle possono non riuscire a garantire l’adesione tra punteria e albero a camme. Poi, bisogna sostituire anche gli alberi a camme. Dalla loro fasatura, infatti, dipende il comportamento del motore. Esistono in commercio alberi a camme con fasature più “larghe”, ovvero con tempi di ritardo di apertura/chiusura più lunghi in modo da sfruttare meglio gli effetti dinamici dei gas a regimi elevati, anche se questo naturalmente può portare a più perdite (e quindi meno potenza) ai regimi inferiori. Per questo motivo, fasature ottimali ad alti regimi non vanno bene a bassi regimi, e viceversa, ed è il motivo per cui sono nati i vari sistemi a fasatura variabile.