Da cosa dipende la potenza erogata da un motore (spiegata semplice)

La potenza erogata da un motore dipende in misura fondamentale dal prodotto dei rendimenti volumetrico, termico e meccanico, ovvero:

• dalla quantità di miscela aria-carburante che esso riesce ad aspirare nei cilindri a ogni ciclo,
• dall’efficienza con la quale riesce a trasformare in energia meccanica il calore sviluppato dalla combustione di tale miscela
• dall’efficacia con la quale riesce a inviare alla trasmissione l’energia “raccolta” dai pistoni, perdendone la minore quantità possibile per strada. In altre parole, con un attrito ridotto al minimo.

Tale rendimento migliora anche diminuendo le perdite per pompaggio, ovvero il lavoro negativo necessario per aspirare la carica e poi espellere i gas combusti (ciò accade durante la parte “passiva” del ciclo, nella quale il motore si comporta in effetti come una pompa).

Nelle odierne moto da competizione si lavora anche a livello dei minimi dettagli per migliorare questi tre rendimenti. Per dare un’idea di quanto sia minuzioso e accurato il lavoro dei tecnici può essere interessante riportare l’esempio che segue.
Per ottenere le prestazioni più elevate occorrono sia rapporti di compressione molto alti che leggi delle alzate radicali. Le fasature perciò sono piuttosto “ampie”, con forti anticipi di apertura e forti ritardi di chiusura delle valvole.
Ciò significa che durante l’incrocio queste ultime sono aperte in misura considerevole.

Per avere un rapporto di compressione elevato, il pistone al punto morto superiore (e nelle immediate vicinanze) arriva a una distanza molto ridotta dalla testa. Per quanto possano essere accentuati gli incavi, che tra l’altro “sporcano” la geometria della camera di combustione, può risultare molto difficile evitare il rischio di contatti tra le valvole e il pistone quando ha luogo l’incrocio. Per mantenere una lieve distanza minima di sicurezza, tra tali componenti in qualche caso il sollevamento della valvola di aspirazione viene rallentato momentaneamente per ricominciare poi con maggiore velocità una volta superato il punto critico (ossia quella di maggior vicinanza tra pistone e valvola); in effetti è come se il movimento si svolgesse in due fasi.
Il tutto, naturalmente, in tempi incredibilmente ridotti...

La distribuzione dei motori in MotoGP

Concentriamo l’attenzione sulla distribuzione dei motori della classe regina, cioè la MotoGP. La loro potenza massima è, in effetti, limitata dal regolamento.
Se esso lasciasse completa libertà per quanto riguarda le misure caratteristiche, nei motori a V (quelli in linea sarebbero limitati dall’ingombro trasversale) si potrebbero adottare alesaggi assai più grandi degli attuali e corse molto più corte. Ciò consentirebbe di impiegare valvole di diametro maggiore e di raggiungere velocità di rotazione più alte. Per quanto riguarda queste ultime, il limite, più che di ordine meccanico, è di natura fluidodinamica.
Ferma restando la corsa, è ovvio che al crescere del regime aumenta la velocità media del pistone, in maniera lineare.

A essa è direttamente legato l’indice di Mach (che gli americani chiamano anche Gulp Factor), un riferimento utile perché al suo diminuire migliora la respirazione del motore. Quando esso risulta superiore a 0,65 circa, l’aspirazione inizia ad andare in crisi.
Nella formula di questo indice troviamo al denominatore la velocità del suono e il coefficiente di efflusso medio. Quest’ultimo, rapporto tra la portata aria effettiva e la portata che, con quella determinata differenza di pressione, dovrebbe passare in quella data sezione geometrica disponibile, deve pertanto essere quanto più elevato possibile.
Al numeratore c’è la velocità del gas, che chiaramente non deve essere troppo alta. A sua volta essa è direttamente legata alla velocità media del pistone. È perciò chiaro che quando quest’ultima supera un certo valore il motore entra in crisi respiratoria. È quindi questo che in effetti limita il massimo regime di rotazione del motore.

Un po' di calcoli

Con una pressione media effettiva di 14,2 bar e un regime di potenza di circa 16.500 giri/min (velocità media del pistone = 26,6 m/s) il motore di 1000 cc di una MotoGP eroga 265 cavalli. Poiché l’alesaggio è di 81 mm, le valvole di aspirazione dovrebbero avere un diametro di circa 33 mm e l’alzata dovrebbe essere di 12,5–13 mm. Il rapporto tra la superficie delle valvole di aspirazione e quella dei pistoni dovrebbe essere dell’ordine di 0,33 (ben difficile andare al di sopra).
Se la pressione media effettiva dei quadricilindrici delle MotoGP fosse 14,5 bar, cosa tutto sommato non impossibile, la potenza sarebbe 271 CV (sempre a 16.500 giri/min).

Le Formula 1 dell’era Schumacher, ovvero quelle da circa 900 cavalli, sono arrivate a superare i 19.000 giri/min pur avendo cilindrate unitarie di ben 300 cc. I loro straordinari motori aspirati avevano però un alesaggio di 98 mm e una corsa di soli 39,7 mm mentre nelle MotoGP quest’ultima è notevolmente superiore (48,4 mm). In effetti a 19.000 giri/min nel motore di quelle F1 la velocità media del pistone era di 25,15 metri al secondo, e quindi nettamente inferiore a quella delle odierne MotoGP. Queste raggiungono regimi di rotazione più bassi ma hanno velocità dei pistoni più elevate.

In teoria se ogni valvola si aprisse istantaneamente, raggiungendo l’alzata massima in un tempo zero (!!), si avrebbe subito la massima sezione di passaggio a disposizione dei gas. La curva delle alzate avrebbe la forma di un rettangolo avente come base la durata della fase di aspirazione.
L’efficacia della legge del moto sarebbe del 100%.
Nella realtà questo non è possibile, perché le sollecitazioni sarebbero inammissibili. Le pressioni di contatto sarebbero infinite come le accelerazioni. Il meglio che possiamo fare è andarci vicino, e fare sì che l’area sotto la curva delle alzate si avvicini il più possibile a quella del rettangolo. Quindi migliorare la “permeabilità” della testa. Non è facile e ne parleremo a breve...

IL FRAZIONAMENTO DEL MOTORE: COS'È (SPIEGATO SEMPLICE)