Cavalli da soma!!!

Non tutti i cavalli che il motore produce arrivano alle ruote, alcuni sono sacrificati per compiere indispensabili lavori di fatica. Analizziamo dove e perché si verificano le perdite meccaniche e cosa si può fare per limitarle…

Negli articoli precedenti abbiamo suddiviso l’operato del motore 4 Tempi a benzina in tre stadi: immettere nel cilindro la maggiore quantità di energia, convertirla nel modo più redditizio e infine indirizzarla alla trasmissione limitando quanto possibile gli sprechi. Ora invece analizziamo l’ultimo di questi passaggi, il rendimento meccanico che è il rapporto tra la potenza utile all’albero motore e quella (teorica) disponibile a livello di pistone. Il propulsore è una macchina che, per trasformare l’energia, si avvale di diversi organi interni ed esterni i quali assorbono una parte del profitto. La potenza generata sul cielo dello stantuffo è dunque fittizia, poiché alcuni cavalli dovranno essere comunque sacrificati per vincere attriti di vario genere, un duro lavoro cui è impossibile sottrarsi. La stima delle perdite è da considerarsi puramente indicativa, perché il rendimento meccanico è fortemente condizionato dall’architettura del motore e dalle condizioni di funzionamento. Inoltre alcune misurazioni sono cumulative e, solo grazie a valutazioni teorico-pratiche, si può suddividere l’assorbimento in percentuali da attribuire ai singoli organi. Inoltre, i propulsori possono funzionare con regimi di rotazione e carichi differenti e ciò aumenta il margine d’errore delle valutazioni generiche. Persino sulla classificazione delle voci possono nascere contese, poiché alcuni testi annoverano tra gli organi ausiliari una parte della distribuzione, mentre altri la considerano totalmente tra gli attriti interni (anche se i moderni propulsori sono dotati di camme in testa mosse da pulegge e da cinghia esterne).

Potenza persa

L’oggettiva difficoltà di quantificare le perdite meccaniche in dettaglio non pregiudica la stima del 15-16% totale nel funzionamento a carico parzializzato (Figura 1), che si somma a circa il 60 % di perdite sotto forma di calore ceduto allo scarico o all’impianto di raffreddamento. Ad ogni modo, fatta 100 l’energia introdotta nel motore 4 Tempi a benzina, soltanto il 25-28 % può essere trasformata in energia utile all’albero motore. La potenza persa cui faremo riferimento nella trattazione è relativa al range di funzionamento sfruttabile, giacché è palese che mentre il motore gira al minimo non produce energia utile a compiere un lavoro, oltre a quella indispensabile per il suo funzionamento e per la ricarica della batteria. Le perdite meccaniche complessive (Figura 2 in basso a destra) sono dovute agli attriti interni, all’azionamento degli organi ausiliari e al lavoro di pompaggio, e incidono in misura diversa secondo le condizioni operative. Il rendimento meccanico di un motore molto efficiente è circa lo 0,85 ai medi regimi e si attesta allo 0,70 a quelli superiori.

Pompaggio

Il motore è una pompa che aspira aria da una parte e la espelle dall’altra con un vigore impressionante: basta avvicinare la mano sul condotto d’aspirazione mentre gira, per rendersi conto di quanto il risucchio somigli a quello di un potente aspirapolvere domestico. Un propulsore da 1.000 cc che gira a 6.000 giri/minuto dovrebbe aspirare 50 litri d’aria al secondo (0,5 litri al giro) ma, ipotizzando il rendimento volumetrico dello 0,8 %, effettivamente ne aspira “solo” 40! Una portata d’aria impressionante che, per fluire attraverso i condotti (a monte dei quali c’è anche un filtro dell’aria), incontra un’energica resistenza. Anche lo scarico assorbe la sua quota di energia (esercitando una contropressione) ma molto meno rispetto all’aspirazione. Dunque, il pompaggio dei fluidi assorbe parecchia potenza, ma per una valutazione più precisa è indispensabile conoscere il grado di apertura della farfalla. Infatti a differenza dei motori diesel che regolano la potenza attraverso il dosaggio del carburante, quelli a benzina limitano la portata d’aria. La farfalla serve proprio a “strozzare” l’aspirazione e, con modeste aperture del gas, lo sforzo compiuto dal motore per respirare è rilevante. Per quantificare le perdite di pompaggio, non ci si basa sul regime di rotazione ma sul grado d’apertura della farfalla che incide in misura molto maggiore. Se è poco aperta, il motore spende molte energie ed eroga scarsa potenza, mentre se è totalmente aperta la resistenza offerta dai condotti raggiunge i valori minimi; tuttavia, a parità di posizione della farfalla, il motore può essere frenato al banco prova per valutare anche l’influenza del regime di rotazione sul rendimento. La Figura 2 in basso a sinistra mostra tale andamento nei propulsori 4 Tempi a benzina (è l’unico grafico che ha in ascisse l’apertura della farfalla) che si attesta in media al 3-8% delle perdite totali (e al 20-30 % di quelle meccaniche in condizioni reali di funzionamento). L’argomento verrà ulteriormente approfondito nell’articolo dedicato al rendimento volumetrico.

Organi ausiliari

Il motore per funzionare non può fare a meno di alcune pompe: dell’acqua, dell’olio, della benzina, dell’iniezione (visto che sulle auto il carburatore non si usa più da oltre dieci anni), ma anche di altri organi azionati tramite cinghie, pulegge come la distribuzione e l’alternatore (non figurano più nell’elenco la ventola di raffreddamento sempre in presa e l’ingranaggio per muovere l’alberino, dello spinterogeno). Alcuni motori sovralimentati subiscono anche le perdite meccaniche dovute all’azionamento del compressore volumetrico o di quello centrifugo. La potenza assorbita dagli organi ausiliari aumenta col numero dei giri e cresce con essi in modo non lineare, come indicato in alto a destra dalla Figura 2. Le perdite più significative si verificano per azionare la pompa dell’acqua e quella dell’olio, poiché hanno grandi portate e incontrano notevole resistenza per spingere i fluidi attraverso gli angusti meandri vitali del motore. Gli organi ausiliari causano il 20-25% delle perdite meccaniche, dunque la potenza persa oscilla tra il 3 e il 6% del totale (ma può spingersi all’8% se include la sovralimentazione col compressore meccanico).

Resistenze passive

L’entità delle perdite dovute agli attriti interni del motore è maggiore sia rispetto a quelle del pompaggio che a quelle degli organi ausiliari. L’andamento è di tipo esponenziale all’aumentare del regime di rotazione, come mostra la Figura 2 in alto a sinistra. Le resistenze passive sono dovute agli attriti del pistone e delle fasce col cilindro, a quelli tra le camme e le punterie, ai cuscinetti a strisciamento (bronzine), alle articolazioni del manovellismo sulla testa e il piede di biella e via dicendo; tuttavia non si devono dimenticare altre voci (importanti) di altra natura come la forza spesa per comprimere le molle di richiamo delle valvole e quella necessaria per vincere lo sbattimento nella coppa dell’olio (originato dal passaggio dell’albero a gomiti attraverso il fluido) che, agli alti regimi, assume proporzioni considerevoli. Gli attriti interni sono compresi tra il 4 e il 10 % delle perdite totali, cioè il 40% di quelle meccaniche (con punte di oltre 50% in casi particolari). I moderni motori a benzina si attestano circa all’8% e quelli diesel al 10% ma in passato hanno sfiorato anche il 12%. La parte del leone spetta al contatto tra pistone-fasce e cilindro che può attestarsi ad oltre il 40% delle perdite per attrito, mentre la distribuzione (molle, piattello ecc) non va oltre il 10% a pieni giri. Quest’ultima era maggiore in passato, poi con l’abbandono del sistema aste e bilancieri in favore delle camme in testa (con punterie a bicchiere o con bilancieri a rullino anziché a pattino), si è attestata su valori migliori. E’ opinione diffusa che la distribuzione desmodromica (utilizzata dalle moto Ducati) limiti le perdite ma, pur conservando un vantaggio a bassi regimi, a quelli alti (oltre i 9.000 g/m) può essere equiparata ad una moderna distribuzione con punterie. Il motore Wankel è molto efficiente nel rendimento meccanico (ma meno per gli altri) poiché non ha organi animati da moto alterno e quelli in rotazione sono principalmente due (albero motore e rotore); al contrario il tipico motore a 4 tempi ha quasi una decina di parti in movimento: pistone, biella, albero a gomiti, asse a camme, molle di richiamo, valvole, bilancieri o punterie, nonché cinghie e pulegge per muovere la distribuzione! L’evoluzione ha permesso ai costruttori d’automobili di limitare le resistenze passive in vari modi, gli organi sono più leggeri e realizzati con moderne leghe dalle eccellenti proprietà meccaniche e antifrizione, inoltre sono migliorate le tolleranze di lavorazione e il grado di finitura. E’ relativamente recente l’introduzione nella produzione automobilistica dell’offset sul pistone (dell’ordine dei 5-8 decimi di millimetro), che permette di ridurre la rumorosità di funzionamento nonché l’attrito sul cilindro. Il disassamento dello spinotto del piede di biella, riportato in Figura 3, rende più progressivo il cambio del lato di spinta tra il pistone e la parete del cilindro (che avviene al “Punto Morto Superiore”). Si tratta di un passaggio delicato poiché anche la fascia elastica cambia appoggio e verso di spinta, passando dalla parte inferiore della cava a quella superiore come mostra la Figura 4. In questo frangente il segmento non esercita più la tenuta sfruttando la pressione dei gas ma delegando unicamente alla propria elasticità il compito di garantire la tenuta (è il motivo per il quale si verifica il blow-by, ovvero il tra filamento dei gas combusti nel basamento); per limitare gli attriti sul cilindro si utilizzano anche bielle più lunghe. La Figura 5 evidenzia come, al crescere della lunghezza, si riduce la spinta laterale del pistone sul cilindro (inoltre diminuiscono le forze alterne del secondo ordine e migliora la fase di lavaggio); però, l’aumento di peso che comporta una biella più lunga, può rappresentare un handicap per i motori veloci. Ad ogni modo, il progresso più evidente si è avuto grazie alla qualità dei lubrificanti che è migliorata enormemente negli ultimi anni e si è rivelata l’arma più efficace per combattere gli attriti. E’ possibile migliorare il rendimento meccanico più di quanto è stato già fatto dai costruttori? Certamente, nonostante le apparenze suggeriscano cifre da “prefisso telefonico” rispetto alle perdite totali, lavorando di fino si può ritoccare di qualche punto questa percentuale.

Soft tuning

Senza aprire il motore non c’è da aspettarsi miracoli, ma è possibile ritoccare il rendimento meccanico agendo su due fronti: quello tribologico (la tribologia è la scienza delle superfici in movimento relativo tra loro) inteso come lubrificazione, impiegando un eccellente olio motore di adeguata viscosità o addirittura ricorrendo a un trattamento antiattrito (con additivi di varia natura che riducono lo sfregamento, le temperature d’esercizio e l’usura della meccanica in genere). L’altra soluzione prevede una serie di interventi volti a migliorare la respirazione del propulsore, ovvero l’adozione di un filtro dell’aria più permeabile o un impianto di scarico caratterizzato da una ridotta contropressione. Per spingersi oltre è indispensabile un’operazione “a cuore aperto” sul propulsore.

L’elaborazione

La mole dei possibili interventi è impressionante ma va precisato che spesso mirano ad altri obiettivi, cui il miglioramento del rendimento meccanico è secondariamente correlato. Il tuner esegue tanti piccoli ritocchi che presi singolarmente potrebbero sembrare irrilevanti ma che alla fine garantiscono risultati sorprendenti. La lavorazione della testata, l’alleggerimento degli organi meccanici dell’imbiellaggio e, in misura minore, di quelli della distribuzione non si praticano per minimizzare le resistenze passive. Eppure una buona respirazione riduce le perdite di pompaggio proprio come la riduzione delle masse alterne o rotanti limita i carichi inerziali e di riflesso gli attriti. Gli interventi volti a incrementare il massimo regime di rotazione migliorano il rendimento meccanico fino ai regimi medio-alti, oltre i quali gli attriti crescono in modo esponenziale annullando parte dei vantaggi. In ogni caso, se le perdite aumentano, lievita anche la potenza erogata, dunque “il gioco vale la candela”! La barenatura (dei supporti degli alberi a camme e del motore), la riprofilatura delle valvole e quella dei condotti hanno dunque il loro peso ma ancor più importante è la sostituzione degli assi a camme che, come abbiamo detto la scorsa puntata, influisce in modo determinante sulla respirazione del motore e sul rapporto di compressione effettivo (cioè quello che tiene conto delle pressioni generate nel cilindro anziché del rapporto tra i volumi). Infatti, se le valvole di aspirazione si chiudono con molto ritardo, anche la fase di compressione viene posticipata determinando un risparmio di energia nel comprimere i gas. Aumentare il rapporto di compressione migliora il rendimento termico ma peggiora leggermente quello meccanico, poiché il pistone compie un lavoro più gravoso per vincere la pressione all’interno del cilindro. Ad esempio, con un alesaggio di 80 mm e una pressione di 20 bar a fine compressione, sull’area del pistone (50 centimetri quadrati) grava una controspinta di 1.000 kg che diventano 1.100 kg se la pressione (aumentando il rapporto di compressione) sale a 22 bar. Dunque è il preparatore che, basandosi sulle caratteristiche del motore, dovrà valutare se sia più vantaggioso estremizzare il rendimento termico oppure arginare le perdite meccaniche. Alleggerire gli organi in moto alterno o rotatorio come bielle, pistoni, spinotti e albero motore riduce parecchio gli attriti ma la riprofilatura di quest’ultimo comporta un vantaggio ancora maggiore. I contrappesi sui gomiti, oltre ad essere snelliti, possono anche essere modellati per ridurre le “perdite per sbattimento”, ovvero l’energia spesa dall’albero per attraversare l’olio contenuto nella coppa. Migliorare la forma idrodinamica gli consente d’immergersi e di attraversare il fluido viscoso limitando gli sforzi che, agli alti regimi di rotazione, sono rilevanti; comunque si può fare di meglio. Nelle competizioni si utilizza la lubrificazione a “carter secco” che elimina il problema alla radice, anche se comporta l’adozione di un serbatoio dell’olio separato e di una pompa di recupero supplementare! La scelta delle bronzine o più in generale delle leghe metalliche dei componenti soggetti a strisciamento, contribuisce a migliorare il rendimento; per la riduzione degli attriti influiscono anche le lavorazione di finitura, compresi i trattamenti superficiali di durezza o antifrizione effettuati sugli organi alleggeriti. Allo stesso modo distribuzione dei pesi, bilanciamento delle masse, precisione nelle tolleranze e rispetto delle geometrie (assiali, di parallelismo e di perpendicolarità) devono essere curate, poiché i motori ad alti regimi di rotazione stressano molto la meccanica. Basti pensare che lo squilibrio di un organo massa ruotante genera una forza che si quadruplica al raddoppiare dei giri. L’affidabilità è sempre gradita, anche perché un danneggiamento meccanico è sempre destinato a peggiorare causando l’aumento degli attriti e delle temperature d’esercizio.

Effetti… speciali

Visti i regolamenti restrittivi, il divario tra le vetture da gara come le Gruppo N è così esiguo che, per migliorare le performance, si ricorre a piccoli trucchi da prestigiatore sul rendimento. Ad esempio si può limitare l’assorbimento degli organi ausiliari, facendo girare un po’ più lentamente le pompe o l’alternatore… ma senza esagerare! Laddove è permesso si modifica il diametro delle pulegge ma, se il regolamento lo vieta, si possono allentare le cinghie con un po’ “di mestiere”, per farle girare più lentamente. Allo stesso modo, ove consentito, si può utilizzare un alternatore meno potente e più leggero. Al contrario non è più possibile escluderlo, sostituirlo con un fantoccio privo di rotore e statore o rallentarlo più di tanto, poiché le auto moderne hanno la pompa d’iniezione (che assorbe parecchia energia elettrica) anziché i carburatori. Quando questi ultimi erano ancora in uso, la corrente erogata dalla batteria era sufficiente a garantire l’accensione per la durata di una gara sprint... Nelle competizioni gli “effetti speciali” sono ancora più fantasiosi che nelle elaborazioni, poiché il motore può essere revisionato più frequentemente. Dal momento che l’attrito tra pistone-fasce e cilindro causa il 40-60 % delle perdite dovute agli attriti meccanici (l’attrito dei segmenti incide per il 70-80% e il rimanente 20-30 % al pistone), l’uso di fasce elastiche ridotte all’osso o l’eliminazione di una di esse (normalmente sono tre per ogni pistone) è ampiamente giustificata.

Figura 1:

Figura 1. Dell’energia introdotta in un motore 4 Tempi a benzina, solo il 25-28 % è disponibile all’albero motore; le perdite meccaniche si attestano a circa il 16%, ripartite secondo le percentuali riportate in basso a destra. Un efficiente propulsore, con la farfalla dell’acceleratore completamente aperta, ha un rendimento meccanico di 0,85 ai medi regimi, mentre a quelli superiori di 0,70.

Figura 2:

Figura 2. Le perdite meccaniche complessive, in basso a destra, sono dovute agli attriti interni del motore. Da notare, in basso a sinistra, che le perdite di pompaggio sono relative al grado di apertura dell’acceleratore e non al regime di rotazione come negli altri casi.

Figura 3:

Figura 3. Il disassamento dello spinotto sul pistone, in direzione opposta al senso di rotazione, permette di ridurre la rumorosità del motore; in misura modesta diminuisce anche l’attrito tra pistone-fasce e cilindro quando si trovano in corrispondenza del Punto Morto Superiore.

Figura 4:

Figura 4. Mostra in dettaglio il cambio del lato di spinta del pistone sul cilindro in corrispondenza del Punto Morto Superiore. La fascia elastica superiore che inizialmente poggia nella parte inferiore della cava, quando il pistone inverte la corsa, si sposta verso l’alto. Durante la combustione tale movimento causa il passaggio dei gas combusti verso il basamento, poiché solo l’elasticità della fascia (e non la pressione) determina la tenuta sul cilindro

Figura 5:

Figura 5. Utilizzando una biella più lunga si riduce la spinta laterale che il pistone esercita sul cilindro. Dunque, a parità di energia disponibile, questa soluzione limita le perdite meccaniche a favore di un migliore rendimento (spinta verticale). L’aumento di peso di una biella più lunga però, può rappresentare un problema per i motori che ruotano più velocemente; pertanto, come accade sempre nella meccanica, si cerca il migliore compromesso per l’uso cui è destinato il propulsore.