Tecnica ok, ma anche estetica!

Aria naturale o forzata

Adottando il raffreddamento ad aria la testa e il cilindro devono essere alettati, perché in questo modo si aumenta la superficie lambita dal fluido refrigerante. Ciò si rende necessario perché il coefficiente di scambio termico tra le pareti metalliche e l’aria è di gran lunga inferiore, rispetto a quello tra le pareti e l’acqua.

Molto importante è il passo della alettatura, ovvero la distanza tra i piani mediani di due alette contigue. Nei motori esposti direttamente al vento della corsa non si può adottare un passo molto ridotto, a differenza di quanto accade quando si adotta un raffreddamento forzato, con l’aria che viene inviata da una ventola a lambire testa e cilindro con elevata velocità. Questa seconda soluzione, tra l’altro, consente di ottenere un buon raffreddamento anche quando il veicolo procede ad andatura modesta; il flusso del fluido refrigerante infatti dipende direttamente dal regime di rotazione del motore. Quando invece il raffreddamento è ad aria naturale, la quantità di fluido refrigerante che lambisce le alette nell’unità di tempo è legata alla velocità di avanzamento del mezzo. In quest’ultimo caso l’alettatura viene dimensionata in modo da assicurare una refrigerazione soddisfacente anche quando si procede relativamente piano, e può risultare pertanto esuberante allorché la velocità è elevata.

Osservando i motori da cross di qualche anno fa (oggi sono tutti ad acqua…) si può notare che in vari casi le alette sono molto distanziate una dall’altra, oltre che di notevole estensione; questo non solo perché le velocità in gioco non sono elevate, ma anche per ostacolare l’accumulo di fango o terriccio tra le alette stesse, dove l’aria deve poter passare senza incontrare ostacoli e lambendo direttamente la superficie metallica. Per questa stessa ragione c’è stato chi ha adottato alette sfalsate.

Nella maggior parte dei casi le alette in sezione hanno una forma trapezoidale, con spessore che diminuisce dalla radice procedendo verso l’estremità esterna. Questa geometria semplifica il lavoro di fonderia, e consente di ottenere un'elevata efficienza da parte delle alette stesse.

Lo scambio termico è direttamente legato alla differenza di temperatura tra la superficie metallica e l’aria che la lambisce. Come ovvio, mano a mano che dalla estremità lato cilindro (cioè dalla radice) si procede verso quella esterna la temperatura dell'aletta diminuisce, e quindi la quantità di calore che in uno stesso tempo viene ceduta dalla unità di superficie è minore. Il rendimento (o efficienza) dell’aletta è il rapporto tra la quantità di calore che essa realmente cede all’aria nell’unità di tempo e quella che, nelle stesse condizioni, essa cederebbe se per tutta la sua lunghezza la temperatura rimanesse eguale a quella che c’è alla radice.

Si deve tener presente che nei motori a quattro tempi oltre il 70% del calore totale ceduto dai gas alle superfici metalliche viene assorbito dalla testa, e solo il rimanente 30% circa dal cilindro; nei 2T avviene invece il contrario.

Se le alette hanno una notevole estensione, spesso si provvede a collegarle mediante ponticelli antivibrazioni, che contribuiscono efficacemente al contenimento delle emissioni acustiche.

Quando il raffreddamento è ad aria forzata e la potenza specifica è elevata, spesso si impiegano alette con modesta estensione ma molto “fitte” (cioè con passo ridotto) e con spessore contenuto. La soluzione risulta conveniente, anche perché consente di limitare la distanza tra i cilindri adiacenti. Un’occhiata a certi motori di alte prestazioni costruiti dalla Porsche può essere molto eloquente, a questo proposito…

I grossi motori stellari d’aviazione degli anni Quaranta dovevano smaltire quantità impressionanti di calore, e questo ha perfino portato i tecnici ad impiegare cilindri con sottili alette riportate, estremamente vicine una all’altra. La soluzione ha potuto essere adottata grazie alla altissima velocità dell’aria. Per quanto riguarda le teste, che spesso erano forgiate, le alette sottilissime e con passo molto ridotto venivano in genere ottenute mediante lavorazione alle macchine utensili.

2T e 4T, le cose cambiano

Come già accennato, per quanto riguarda la forma e la disposizione delle alette esiste una grande varietà di soluzioni. In diversi motori a due tempi sono state adottate teste “a ventaglio”, nelle quali le alette partono direttamente dalla zona più sollecitata termicamente, ossia dalla parete esterna della camera di combustione. Questa soluzione viene tuttora largamente impiegata in campo kartistico. Nei motori a cilindro orizzontale certi costruttori hanno fatto ricorso ad alettature radiali, mentre altri hanno preferito disporre le alette su due piani perpendicolari (alcune sono cioè disposte verticalmente, mentre altre sono orizzontali).

Per allontanare il rischio che si possano verificare distorsioni, alcuni tecnici hanno adottato alettature interrotte (al limite, si è arrivati a una conformazione “a porcospino”); altri invece ritengono che sia più vantaggioso impiegare alette continue tutto attorno al cilindro per motivi di rigidezza e per una migliore distribuzione delle temperature.

Il raffreddamento ad aria dà ottimi risultati fino a una certa potenza specifica, al di sopra della quale diventa necessario passare alla refrigerazione ad acqua, che consente una più efficace asportazione di calore, specialmente dalle zone critiche, riduce le temperature e allontana il rischio di distorsioni; inoltre agevola la realizzazione di teste plurivalenti e di gruppi termici molto compatti, e contribuisce al contenimento delle emissioni acustiche. Non si deve però pensare solo ai mercati europei e ai motori di altissime prestazioni; la grande maggioranza delle moto costruite nel mondo continua ad essere raffreddata ad aria...