Capire i motori. L'importanza della velocità
Il pistone si muove all’interno della canna del cilindro con una velocità che varia di continuo. Quella alla quale facciamo riferimento è la velocità media, costituita dalla distanza che il pistone stesso percorre nell’unità di tempo al regime di potenza massima.
In pratica, si moltiplica il doppio della corsa per il regime di rotazione e si divide il risultato per 60 (cioè per i secondi che ci sono in un minuto). E naturalmente si sposta la virgola, per passare dai millimetri ai metri.
Dunque, durante il funzionamento del motore la velocità del pistone cambia continuamente, annullandosi ai punti morti, ove si ha un arresto momentaneo con inversione del senso del movimento. Il valore massimo viene raggiunto in una posizione che non è esattamente intermedia (ovvero equidistante dai punti morti). Se la biella rimanesse sempre parallela all’asse del cilindro, partendo dal punto morto superiore (PMS) il pistone percorrerebbe metà della corsa dopo una rotazione dell’albero a gomito di 90°. Mentre l’albero gira la biella però si inclina ora da un lato e ora dall’altro rispetto all’asse del cilindro, e ciò influenza notevolmente il movimento del pistone. La conseguenza è che dopo 90° quest’ultimo ha percorso più di metà della corsa. Partendo dal punto morto inferiore (PMI) avviene invece il contrario e dopo 90° lo spostamento del pistone è inferiore a metà corsa.
Sulle MotoGP, a 17.000 giri, la velocità media del pistone supera i 27 m/s e quella massima i 45 m/s, ovvero è dell’ordine di ben 160 km/h
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Mantenendo costante la velocità di rotazione dell’albero, partendo dal PMS la prima metà della corsa viene coperta in un tempo minore rispetto alla seconda metà. Il grafico che descrive il movimento del pistone in funzione dell’angolo di manovella (cioè della rotazione dell’albero) non è quindi simmetrico.
Il rapporto tra la lunghezza della biella e la corsa influenza la velocità massima del pistone (ma non quella media!) e il punto nel quale essa viene raggiunta. Quando il rapporto in questione è pari a 2, tale componente arriva alla velocità massima 76° dopo il PMS.
Le attuali 1000 quadricilindriche supersportive forniscono la potenza massima a regimi dell’ordine di 13.000 – 13.500 giri/min e hanno velocità medie del pistone che vanno da 22,3 a 24,2 metri al secondo, valori assolutamente impensabili fino a pochi anni fa per dei modelli di serie.
A 13.000 giri/min ogni pistone va da zero alla velocità massima (che in tali motori è dell’ordine di 36 – 39 m/s, corrispondenti a circa 130 – 140 km/h) in circa un millisecondo!
Come logico, i motori delle odierne MotoGP sono ancora più sollecitati. Sembra che gli ultimi diano la potenza massima a un regime leggermente superiore a 17.000 giri/min. La velocità media del pistone quindi è di oltre 27 m/s e quella massima supera i 45 m/s, ovvero risulta dell’ordine di ben 160 km/h. A 17.000 giri/min ogni pistone compie 566 corse al secondo e quindi va da zero alla velocità massima e viceversa in 1,75 millisecondi (tempo impiegato per compiere una corsa completa).
Come visto, la velocità media del pistone, che viene sempre calcolata al regime di potenza massima, dipende solo dalla corsa e dal regime di rotazione. Si tratta di uno dei parametri ai quali si fa più spesso riferimento, e non solo perché fornisce affidabili indicazioni in merito alle sollecitazioni meccaniche con le quali hanno a che fare gli organi del manovellismo.
I carichi inerziali variano con il quadrato della velocità media del pistone. Quest’ultima quindi influenza anche le perdite per attrito che hanno luogo all’interno del motore.
La velocità media del pistone ha una notevole influenza pure sul rendimento volumetrico. Ad essa infatti è legata la velocità media teorica dei gas che vengono aspirati nei cilindri, che deve rimanere all’interno di un certo campo ideale per consentire l’ottenimento del miglior rendimento volumetrico. Quando la velocità dei gas è troppo bassa risulta scarso lo sfruttamento dei fenomeni inerziali mentre quando è troppo alta le perdite di carico diventano eccessive.
La velocità media del pistone entra in gioco anche quando si calcola l’indice di Mach, al quale i tecnici fanno spesso riferimento nel valutare la bontà della respirazione nei motori di elevate prestazioni.
Una volta nota la corsa, invece che ragionare in termini di regime di rotazione si può farlo in termini di velocità media del pistone; in tal caso è facile constatare che la potenza non dipende dalla cilindrata ma dalla superficie totale dei pistoni!
Il prodotto tra quest’ultima e la velocità media del pistone equivale a quello tra la cilindrata e il regime di rotazione; moltiplicandolo per la pressione media effettiva (PME, della quale ci occuperemo in un apposito servizio) si ottiene la potenza.
Se invece moltiplichiamo la PME per la velocità media del pistone otteniamo la potenza specifica areale, che ci fornisce importanti informazioni in merito all’entità del flusso termico che interessa le superfici dei componenti lambiti dai gas. Si ottengono cioè accurate informazioni sulle sollecitazioni termiche che il cielo del pistone e le pareti della camera di combustione devono sopportare.
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