Discontinuità della coppia: cos'è e cosa provoca (spiegato semplice)

I motori a pistoni erogano la coppia in maniera discontinua. In ciascun cilindro le quattro fasi del ciclo di funzionamento si svolgono in due giri dell’albero a gomito nei motori a quattro tempi, e in uno in quelli a due tempi.

La fase utile, durante la quale il pistone fornisce energia meccanica all’albero, è una sola, quella di espansione. Il flusso di coppia è perciò pulsante e l’irregolarità, massima nel monocilindrico, diminuisce all’aumentare del frazionamento del motore.

Cosa succede durante la "fase utile"

Durante la fase utile la coppia varia di continuo poiché cambiano sia la pressione all’interno del cilindro – che è massima una quindicina di gradi dopo il punto morto superiore (PMS) e poi diminuisce rapidamente durante la corsa di espansione – che l’angolo tra la biella e la manovella. Quest’ultimo è nullo ai punti morti e raggiunge la massima “efficacia” all’incirca 76° dopo il PMS (quando la biella è in quadratura, ovvero forma un angolo di 90° con il braccio di manovella dell’albero).

La coppia istantanea è massima all’incirca 35° dopo il PMS, quando è più elevato il prodotto tra la pressione agente sul pistone (in tale punto è il 45-48% di quella massima) e l’efficacia della manovella (pari all’incirca al 50% del valore massimo). A ridurre le variazioni di velocità dell’albero causate dalle fluttuazioni, rendendo più uniforme la sua rotazione, provvedono le masse volaniche. 

A seconda del numero dei cilindri, dell’architettura del motore (in linea, boxer o a V, con diversi angoli) e della disposizione delle manovelle dell’albero, alla ruota arriva una serie di impulsi che si susseguono distanziati in maniera regolare o irregolare a seconda dei casi. Ciò ha una notevole influenza sulla motricità, ovvero sul comportamento del pneumatico, e sul feeling trasmesso al pilota.
Al banco, però, le cose non cambiano e i cavalli erogati non vengono influenzati da tutto questo ma soltanto dalla velocità di rotazione, dalla cilindrata e dalla pressione media effettiva. Quest’ultima comunque risente delle differenze che possono esserci (a pari cilindrata, velocità del pistone e frazionamento) a livello dei rendimenti.
Quello meccanico, per esempio, è influenzato dal numero dei cuscinetti e quello volumetrico dalla possibilità di accordo dei sistemi di aspirazione e di scarico.

È anche interessante ricordare che, a regime e carico costanti, i cicli che si susseguono non sono comunque tutti uguali… Pure l’aspirazione ha luogo in maniera discontinua. Idealmente la valvola dovrebbe aprirsi del tutto (ovvero passare dalla chiusura alla massima alzata) istantaneamente, cosa che ovviamente non può avvenire. L’apertura della valvola, rapidissima ma comunque graduale, fa sì che il cilindro entri in collegamento con il condotto e che l’azione aspirante del pistone richiami la carica fresca. In effetti esso crea una depressione e a spingere il gas nel cilindro è la pressione atmosferica. Dunque, l’aria (o meglio, nel nostro caso, la miscela aria-benzina) viene accelerata fino a raggiungere la velocità massima. Poi essa decelera e continua a entrare nel cilindro per inerzia, con velocità via via minore.

L’apertura della valvola però non si limita a far mettere in movimento la colonna gassosa presente nel condotto ma fa anche altro. Dà infatti origine a un’onda di pressione negativa che percorre tutto il condotto fino alla sua estremità, ove essa viene riflessa con segno cambiato, ovvero come onda di pressione positiva. Queste onde percorrono la massa gassosa con la velocità del suono, che come noto cambia con la temperatura. La velocità effettiva delle onde è la somma di quella del suono e di quella di trasporto, dovuta allo spostamento del gas in seno al quale esse viaggiano. 

Dato che il flusso dell’aria nei condotti è fortemente pulsante i cilindri non vengono alimentati in maniera uniforme e continua. La respirazione del motore, però, può essere egualmente ottima. La possibilità di sfruttare sia l’inerzia dei gas che le onde di pressione in ottica riempimento del cilindro crea una sovralimentazione dinamica che a certi regimi può essere di entità davvero considerevole.

Lo stesso discorso vale per lo scarico. Anche lì il flusso è fortemente pulsante e inoltre le velocità dei gas raggiungono valori di picco più elevati; le temperature (dalle quali dipende la velocità del suono e perciò quella delle onde di pressione) sono molto più alte oltre che fortemente variabili. A influenzarle sono fondamentalmente il regime di rotazione, il carico motore e la dosatura della miscela aria-carburante. A rendere più complessa la situazione vi è il fatto che lungo il percorso dalla valvola al terminale del tubo la temperatura varia fortemente.
Nei calcoli dei sistemi di scarico questa forte variabilità della temperatura dei gas complica le cose. Si fa riferimento a un valore medio, che però non è facile da determinare e ha la massima validità soltanto in corrispondenza di un certo regime.

 

La temperatura dei gas di scarico

Rimanendo in tema, è interessante osservare che, contrariamente a quanto si potrebbe pensare, la temperatura dei gas di scarico diminuisce al crescere del rapporto di compressione. Ferma restando la fasatura, quando iniziano a uscire dal cilindro i gas hanno infatti subito una maggiore espansione.
Al contrario, con un superiore anticipo di apertura della valvola di scarico (ovvero con una fasatura più spinta) la temperatura dei gas è più elevata.

Lo stesso accade nei motori a due tempi, quando si alza la luce di scarico: i gas hanno una temperatura più alta perché hanno potuto espandersi in misura minore.

Pure il flusso dell’olio è pulsante. La situazione è peggiore con le pompe a pistoncino e migliore con quelle a ingranaggi (dipende ovviamente dal numero dei denti). Rispetto a queste ultime, quelle a lobi sono inferiori, sotto tale aspetto, ma presentano il vantaggio di essere più autoadescanti, cosa vantaggiosa nei casi in cui occorre aspirare quella che in effetti è una schiuma aria/olio.