Motori a quattro tempi per impieghi motociclistici sportivi
Autore: D. Ing. Sperotto
1. INTRODUZIONE
Le caratteristiche che un motore motociclistico a 4 tempi di serie, in particolare per uso sportivo, deve avere sono molteplici ed alcune tra di loro contrastanti.
· Leggerezza. Deve essere quanto più leggero possibile, così da non compromettere la maneggevolezza della moto e così da essere poco oneroso dal punto di vista delle materie prime necessarie a realizzarlo ma, al contempo, robusto in tutti i suoi componenti, per non incorrere in problemi di affidabilità.
· Compattezza. Deve essere quanto più possibile compatto, per poter essere facilmente inserito in un telaio snello, per permettere l'ottenimento di una sezione maestra del veicolo contenuta, per consentire il risparmio di spazio da dedicare poi a componenti quali l'air-box, il serbatoio del carburante, i radiatori, gli scarichi, l'alternatore, ecc.
· 'Corto', in particolare deve essere longitudinalmente molto corto, così da poter progettare un telaio dotato, a parità di interasse tra le ruote, di forcellone posteriore quanto più lungo possibile in favore della motricità (capacità del mezzo di scaricare a terra la potenza senza perturbare l'assetto).
· Stretto: la moto è un oggetto che per girare 'piega' (movimento di rollio), pertanto il progetto del motore deve tendere ad evitare il possibile contatto con il suolo in curva, oltreché ovviamente in favore della penetrazione aerodinamica.
· Integrabilità al telaio. Deve essere progettato in totale integrazione con il telaio e tutta la struttura della moto secondo principi base completamente diversi da quelli dell'automobile: quali la posizione del baricentro, rigidità strutturale, normative antinquinamento, dispositivi accessori, ecc.
· Economia: di produzione, di manutenzione, un po' meno di esercizio (il mercato motociclistico, soprattutto per le moto sportive, è decisamente flessibile sui consumi) purché rientri nelle normative.
· Affidabilità.
· Prestazioni: assolute ma soprattutto durature nel tempo, prestazioni che conferiscano 'carattere' e rendano la moto un oggetto divertente da guidare, ma anche fruibile quotidianamente.
· Silenzioso. Diversamente dalle auto i motori motociclistici sono meno vincolati dalla rumorosità, ma comunque non ne sono esenti.
Un confronto ponderato con i motori automobilistici evidenzia la grande differenza tra le 'arti' della progettazione per le due ruote e per le quattro ruote.
Negli istogrammi a seguire verranno confrontati 3 motori motociclistici sportivi (Honda CBR 600 F del 2001, Suzuki GSX R 750 del 2000, Yamaha R1 del 2002) nelle colonne verdi con tre motori automobilistici sportivi (BMW M3 del 2001, Alfa Romeo 166 2.0 TS del 1999, Fiat Fire 1.2 16V del 1997) nelle colonne azzurre.
|
|
Marca |
Honda |
Suzuki |
Yamaha |
BMW |
Alfa |
Fiat |
|
|
Modello |
CBR600 F |
GSX R 750 |
R1 |
M3 |
166 2,0 TS |
Fire 1,2 16V |
|
|
Anno |
2001 |
2000 |
2002 |
2001 |
1999 |
1997 |
|
Z |
1 |
4 |
4 |
4 |
6 |
4 |
4 |
|
D |
mm |
67 |
72 |
74 |
87 |
83 |
70,8 |
|
C |
mm |
42,5 |
46 |
58 |
91 |
91 |
78,86 |
|
Vt |
cm3 |
599,4 |
749,2 |
997,8 |
3245,8 |
1969,5 |
1241,9 |
|
Pmax |
kW |
81 |
103,5 |
113,34 |
252 |
114 |
63 |
|
nPmax |
rpm |
12.500 |
12.500 |
10.500 |
7.900 |
6.400 |
6.000 |
|
Mmax |
Nm |
65 |
84,3 |
104,3 |
365 |
187 |
113 |
|
nMmax |
rpm |
10.500 |
10.500 |
8.500 |
4.900 |
3.200 |
4.500 |
Tab.1
2. PARAMETRI DI SIMILITUDINE
Ai fini comparativi va fatto ricorso alle leggi della similitudine meccanica (geometrica, cinematica, dinamica) impiegando parametri dimensionali o adimensionali, la cui caratteristica fondamentale è di essere invarianti rispetto alle dimensioni del cilindro ed al frazionamento.
Per mezzo di tali 'grandezze sintetiche', di prestazione e di progetto, è possibile inquadrare immediatamente l'obiettivo alla base del progetto e lo 'stato termo-meccanico'di un qualsiasi motore avendo perciò subito, con pochi numeri, un'idea del 'grado di esasperazione' termica e/o meccanica o, se si preferisce, del 'margine di sviluppo' che ancora rimane, ad esempio rispetto a motori concorrenti o al motore in considerazione stesso.
Alcuni molto noti, altri meno, ma tutti molto utili sono i seguenti:
|
Simbolo |
Formula |
Dimensione |
Denominazione |
|
u |
|
m/min |
Velocità media dello stantuffo |
|
LV |
|
kJ/litro |
Lavoro specifico (noto come p.m.e.) |
|
PS |
|
kW/cm2 |
Potenza areale |
|
PV |
|
kW/litro |
Potenza specifica |
Tab.2
|
Simbolo |
Formula |
Dimensione |
Denominazione |
Definizione |
|
[C]D |
C/D |
- |
Rapporto corsa/alesaggio |
Corsa della macchina simile di diametro unitario. |
|
[n]D |
|
m/min |
Numero di giri specifico |
Numero di giri della macchina simile di diametro unitario. |
|
[n]P |
|
kW1/2/min |
Numero di giri caratteristico riferito alla potenza |
Numero di giri della macchina simile a potenza unitaria. |
|
[n]V |
|
m/min |
Numero di giri caratteristico riferito alla cilindrata |
Numero di giri della macchina simile a cilindrata unitaria. |
Tab.3
ove:
n = regime di rotazione in rpm
C = corsa in mm
D = alesaggio in mm
Pt = potenza all'albero in kW (1 hp = 0.7457 kW; 1 kW = 1.341 hp)
Vt = cilindrata in cm3
Z = numero di cilindri
Le prime tre grandezze (u, LV e PS) fanno gruppo unico andando a costruire da sole la formula di maggior capacità di sintesi della teoria motoristica.
2.1 u, velocità media dello stantuffo, [m/s]
Proporzionale alla corsa ed al regime di rotazione, in base ad essa i motori possono essere classificati in lenti o veloci. Racchiude in sé sia un valore geometrico di progetto (C [mm]) che un valore di funzionamento (n [rpm]) ed associa così una scelta progettuale importante al 'progetto' (il motore) messo in esercizio.
L'andamento delle perdite di potenza nel funzionamento va fatto con essa in ascissa; così pure per il comportamento delle grandezze di interesse scientifico (quindi tutte!) da trattare in modo scientifico: cioè da poter mettere a disposizione della tecnica a prescindere dal motore usato per un determinato tipo di esperienza.
Tutto ciò che non parla del ciclo e dei suoi istanti precisi va ('andrebbe) messo in ordinata come variabile dipendente dall'indipendente u. La potenza diagrammata in funzione di n è comoda solo per vedere cosa fa, in sé e per sé, un motore messo al banco, ma lo congela nel suo isolato modo di essere, ove il massimo confronto ammissibile è con altri motori della stessa cilindrata (o categoria sportiva); ma quel motore rispetto alla tecnica motoristica attuale dov'è' Potrebbe andare oltre' Di quanto' Potrei confrontarlo col fratello minore o maggiore per cilindrata nella stessa serie (ad es. R6, R7, R1) dello stesso anno o del passato della stessa casa costruttrice'
La risposta non è nei grafici ove all'asse orizzontale è riportato n.
u limita n, non vale invece il contrario.
n definisce u: il motore è alternativo, in un certo senso non vale il contrario (perché il motore 'gira', i suoi organi non sono dotati di moto espressamente misurabile in m/s).
Tanto maggiore è u, tanto maggiori sono le forze di inerzia che sollecitano tutti i componenti in moto alterno nel motore; n non ha la capacità di essere così indiscutibilmente preciso: un motore per aeromodello a 15000 rpm sta 'girando piano', un grande motore marino a 2000 rpm non ci arriverà mai.
Range
· 15 m/s: sono pochi, facilissimo ottenere di più da un motore che funziona così (distribuzione e resistenza degli organi interni permettendo).
· 20 m/s: il motore 'gira' molto bene, molti motori sportivi attuali vanno un po' oltre tale soglia, oggi raggiungibile con mezzi di serie; soglia comunque elevata.
· 25 m/s: velocità elevata appannaggio di motori da corsa, anche derivati dalla serie.
· ≥27 m/s: Formula 1'o giù di lì. Difficilmente si può andare oltre; si è nella zona della curva dello sviluppo possibile ove ogni minimo incremento ha un prezzo molto, molto elevato.
Limiti
A limitare u, oltre alle già citate forze d'inerzia, che nei motori veloci diventano dominanti su tutte le altre, anche fattori di carattere aerodinamico dovuti al raggiungimento di condizioni soniche nei condotti di aspirazione oltre le quali la respirazione del motore raggiunge un massimo fisicamente invalicabile.
Le inerzie, essendo proporzionali alle masse, possono essere ridotte per incrementare u e quindi n da cui la potenza (più cicli nell'unità di tempo), con organi in movimento in materiali più leggeri (a parità di resistenza), ma il limite è praticamente metallurgico (o della tecnologia dei materiali compositi).
Le condizioni soniche, essendo proporzionali alle velocità nei condotti, ed esse alle sezioni degli stessi, possono essere allontanate con maggiori sezioni di passaggio (valvole di maggiori dimensioni o in maggior numero), cui limite è la dimensione del cilindro e che comunque riconducono a problemi inerziali per la maggiore massa connessa alle maggiori dimensioni.
Negli ultimi 25 anni l'aumento della velocità media dello stantuffo al regime di potenza massima è stato di poco superiore al 10%, in campo motociclistico. Il regime di rotazione associato è invece aumentato del 40% sia grazie all'incremento di u che, e soprattutto, grazie alla riduzione di C/D.
Fig.1
2.2 LV, lavoro specifico, [kJ/litro]: il vero nome della pressione media effettiva.
La macchina termica in questione produce lavoro convertendo l'energia del combustibile all'interno di un volume che è la cilindrata del motore. Considerando questo punto di vista nasce una grandezza specifica di grande importanza: il lavoro sviluppato ad ogni ciclo dall'unità di cilindrata.
LV , comunemente ed impropriamente, ma non insensatamente detto 'pressione media effettiva' (pme), dizione giustificata non solo dal fatto che dimensionalmente si tratta di una pressione, è indicativo dei livelli di pressione raggiunti nel cilindro e quindi, da un lato delle sollecitazioni pressorie cui è sottoposto il motore, dall'altro (il che è poi lo stesso) del suo grado di (sovr)alimentazione. Si nota pertanto che la dizione di pressione, anche se non concettualmente precisa, è tutt'altro che fuorviante.
1 kJ/litro = 10 bar.
(2.2.1)
Range
· 0.8 kJ/litro: molto poco, la cilindrata è molto mal sfruttata per un motore motociclistico sportivo. le sollecitazioni pressorie sono bassissime ed il margine di sviluppo è elevato.
· 1.0 kJ/litro: motore di serie senza prestazioni particolari.
· 1.3 kJ/litro: molti motori sportivi dell'ultima generazione esprimono valori a cavallo tra 1.3 ed 1.4. Pochi anni fa tali valori erano appannaggio di propulsori da corsa.
· ≥1.5 kJ/litro: l'uso di un propulsore del genere ne comporta soventi e dispendiose revisioni (quali i motori per la classe SBK: R7 preparato dal tecnico Beppe Russo ha LV in regime di coppia massima a 1.53 kJ/litro). Sistemi di sovralimentazione permettono di oltrepassare di molto tale soglia.
Limiti
Per capire cosa limiti LV lo si deve esprimere per mezzo di una formula, ricavabile da quella della potenza, che sfrutti grandezze caratteristiche della conversione di energia nella macchina termica motore:
(2.2.2)
ove:
ηu = rendimento termico utile, frazione dell'equivalente in calore fornito dal combustibile introdotto che diventa lavoro utile ottenuto all'albero.
ηvt = rendimento volumetrico totale, frazione di fluido operante fresco che effettivamente prende parte al ciclo rispetto a quello che vi entrerebbe in condizioni ideali.
ρ0 = massa volumica dell'aria nell'ambiente di riferimento (ambiente, airbox o collettori di aspirazione), in kg/m3.
Hi = potere calorifico inferiore del combustibile, in kJ/kg.
αt = rapporto aria/combustibile totale.
Fissati che siano il combustibile e l'ambiente le uniche grandezze ad influire su LV sono i due rendimenti e la dosatura αt.
Il primo dei due, ηu, ingloba tutto quello che si frappone tra il combustibile, quindi la 'vena madre' della potenza, e la potenza ottenuta all'albero, prodotto di una combustione sempre imperfetta e del movimento di molti organi che chiedono un dazio originato dall'attrito e dagli scambi termici. Ogni piccolo miglioramento nel progetto del motore va ad incrementare qualche aspetto di esso e di riflesso LV, pertanto Pt. Così ad esempio l'oltre mezzo secolo di ricerca svolto sui segmenti dello stantuffo, componenti che dissipano energia causa l'attrito con la superficie del cilindro, ha permesso di 'risparmiare' molta potenza persa migliorando il valore del rendimento organico'che altro no è se non un frammento di ηu, e così di LV. Oppure l'elettronica di gestione del motore che invade in primis l'efficienza della combustione.
Il secondo, ηvt, riassume il difficile ricambio del fluido operante nel volume di lavoro. Fasatura, disegno di condotti e valvole, airbox e prese dinamiche, sistemi di scarico sono tutti aspetti grandemente influenti.
La dosatura, espressa dal rapporto aria/combustibile, permette di incrementare il lavoro ottenuto dall'unità di cilindrata con valori tendenti, si evince dalla formula (2.2.2), al 'ricco', pertanto limiti da tale punto di vista sono le emissioni di incombusti ed i consumi.
Negli ultimi 25 anni, nel campo motociclistico, si è registrato un aumento medio del lavoro specifico al regime di coppia massima di oltre il 20% e del 15% al regime di potenza massima.
Fig.2
2.3 PS, potenza areale, [kW/cm2]
Proporzionale direttamente alla potenza ed inversamente alla superficie degli stantuffi.
Una potenza, originata da una combustione quindi da un fenomeno termico, fratto una superficie, area di passaggio per il calore: qualcosa di proporzionale ai flussi termici, pertanto ai salti di temperatura, cioè alle tensioni termiche dei componenti più sollecitati del motore, quelli che subiscono sia termica che meccanica (stantuffi, cilindri, teste).
Permette a colpo d'occhio di stabilire quanto sollecitato è il propulsore in esame dal punto di vista termico'ma non solo, come si noterà tra poche righe.
Range
· 0.3 kW/cm2: valore per motori di serie benzina aspirati, poco sollecitati ma molto duraturi.
· 0.5 kW/cm2: la maggioranza delle moto sportive attuali si attesta tra 0.5 e 0.6.
· 1 kW/cm2: è un limite superiore molto elevato per motori atmosferici, probabilmente non tutti i motori di Formula 1 arrivano a tanto. Sovralimentazioni spinte come nell'era della Formula 1 turbo permettevano valori più che doppi.
Limiti
La potenza areale non è una 'variabile indipendente' ed il suo limite è legato ad altre due grandezze: nella fattispecie quelle sopra descritte. Semplici passaggi nella formula della potenza permettono di arrivare alla citata espressione di massima sintesi della teoria motoristica:
(2.3.1)
La PS altro non è che il prodotto tra LV ed u ed 'ingloba' così tutte le informazioni fornite separatamente dalle due sopra descritte grandezze: è dunque un parametro molto significativo, che sintetizza in un solo numero una grande quantità di informazioni relative al 'grado di esasperazione' globale (termica, meccanica e fluidodinamica) del motore.
Invece di PS possono essere usati il prodotto tra lavoro specifico e velocità media dello stantuffo, la (2.3.1) informa che, costanti a parte, le due grandezze hanno identico significato.
I limiti di PS derivano pertanto dall'incrocio tra quelli di u, nella fattispecie inerziali ed aerodinamici, e quelli di LV, di conversione energetica, meccanici, respiratori, ecc. Fissando dei valori:
LV = 1.5 kJ/litro ed u = 25 m/s si ottiene PS = 0.937 kW/cm2.
LV = 1.5 kJ/litro ed u = 27 m/s si ottiene PS = 1.012 kW/cm2.
Fig.3
2.4 PV, potenza specifica, [kW/litro]
Permette di confrontare propulsori a prescindere dal loro primo piano di classificazione: la cilindrata, ed i confronti in questione sono di immediata interpretazione.
Si ricava la seguente formula:
(2.4.1)
Da essa è facile capire che PV aumenta, oltreché ovviamente al crescere di LV ed u, anche al crescere del frazionamento Z, ed inoltre, a parità di Z, un motore di Vt minore può raggiungere, con uguali sollecitazioni meccaniche (cioè u) e C/D, regimi di rotazione maggiori grazie alla corsa inferiore (vedasi la definizione di u) e di conseguenza motori con minore cilindrata unitaria ma stesso frazionamento forniscono potenze specifiche maggiori (anche in virtù dei maggiori rapporti di compressione consentiti da alesaggi minori).
Range
· 50 kW/litro: valore per motori di serie benzina aspirati, poco sollecitati ma molto duraturi.
· 75 kW/litro: e il limite dei 100 hp/litro tipico delle vetture molto sportive di produzione di serie.
· 100 kW/litro: valore tipico dei motori 1000 a 2 cilindri.
· 110 kW/litro: appena oltre esso si collocano le attuali moto sportive 1000 a 4 cilindri.
· 130 kW/litro: appena oltre esso si collocano le attuali moto sportive 600 a 4 cilindri.
· 220 kW/litro: ipotetico motore con Vt = 3000 cm3, Z = 10, C/D = 0.5, u = 27 m/s, LV = 1.5 kJ/litro (che avrebbe come regime di rotazione corrispondente 17721 rpm'!).
Limiti
Facilmente estrapolabili dalla (2.4.1). Fissando alcuni valori come LV = 1.5 kJ/litro, u = 25 m/s, C/D = 0.55 al variare di Vt e Z si hanno valori di PV come nella seguente Tab.3:
Negli ultimi 25 anni essa ha subito, in campo motociclistico, un incremento dell'ordine del 60%, grazie all'incremento del 15% di LV e del 40% del regime di rotazione.
|
PV [kW/litro] |
Z | |||||
|
2 |
3 |
4 |
5 |
6 | ||
|
Vt [cm3] |
1000 |
153 |
175 |
193 |
208 |
221 |
|
900 |
159 |
182 |
200 |
215 |
229 | |
|
750 |
169 |
193 |
212 |
229 |
243 | |
|
600 |
182 |
208 |
229 |
247 |
262 | |
|
400 |
208 |
238 |
262 |
282 |
300 | |
Tab.3
Fig.4
2.5 [C]D, rapporto corsa-alesaggio, adimensionale
Ad esso sono legati il rendimento termico, quello meccanico e quello volumetrico del motore attraverso l'influenza di C/D sulla conformazione della camera di combustione, su u e sulle sezioni di passaggio a disposizione dei gas.
La sua influenza sulla potenza all'albero la si estrapola dalla formula:
(2.5.1)
da cui è evidente che, a parità di altri parametri, al diminuire del rapporto C/D aumenta la potenza.
Range
· >1: motore detto 'sotto-quadro', la camera di combustione ha conformazione molto raccolta, a favore del rendimento di combustione e quindi dei consumi. Rari i casi in ambito motociclistico che arrivano alla soglia di C/D unitario. Poco sopra all'unità quasi tutti i valori dei motori automobilistici.
· 0.6-0.8: la maggioranza delle moto sportive attuali si attesta in tale intervallo, gli estremi sono Benelli Tornado con 0.559 e Suzuki GSX R 1000 con 0.808.
· <0.6: la camera di combustione arriva ad assumere conformazioni sfavorevoli alla combustione nonostante i vantaggi connessi alla riduzione di u (e/o all'innalzamento del regime di rotazione).
· 0.5 o meno: propulsori Formula 1.
Limiti
Limite superiore: la meccanica del motore alternativo è evoluzione di quella delle macchine a vapore che adottavano rapporto C/D molto superiore all'unità (fino a 3-4,'), andrebbe in favore della compattezza della camera di combustione e quindi dei consumi. Ma a valori elevati corrispondono dimensioni del manovellismo elevate, quindi elevati ingombri lungo l'asse del cilindro del propulsore, dimensioni delle valvole limitate dall'alesaggio quindi la 'respirazione' limitata da cui scarse prestazioni; pertanto, in ambito motociclistico sportivo in particolare, C/D = 1 si può considerare un valore decisamente in controtendenza ed eccessivo.
Il limite inferiore invece è originato dal compromesso necessario ad avere prestazioni elevate con consumi ragionevoli, quindi dalla necessità di ottenere consumi specifici non troppo alti. Alesaggi grandi il doppio della corsa permetterebbero sì di limitare u e di incrementare il regime di rotazione (quindi la potenza), di aumentare la sezione di passaggio a disposizione dei gas freschi e di ridurre le dimensioni in altezza del gruppo cilindro-manovellismo, ma di contro rovinerebbero l'efficacia del processo di combustione dotando la camera di rapporto superficie/volume molto elevato, allungano il motore in direzione parallela all'albero a gomiti, conducendo ad usare valvole di dimensioni elevate a regimi elevati, quindi forti sollecitazioni alla distribuzione, ecc.
0.6 è un valore decisamente sportivo e attualmente molto diffuso : in zona 0.5 il progetto è una 'dichiarazione di guerra' alle prestazioni dei concorrenti.
Negli ultimi 25 anni, in ambito motociclistico, si è registrata una riduzione, in media, del 30%.
Fig.5
Le cinque grandezze fino ad ora descritte permettono di avere un quadro completo di qualsiasi motore ma per completezza ad esse andrebbe aggiunta la 'densità globale', data dal rapporto tra massa (operativamente: il peso) del motore e la sua cilindrata, indicativa della 'bontà meccanica' del progetto, ma il peso dei motori il più delle volte non è disponibile.
2.6 [n]D, numero di giri specifico, [m/min]
È una delle molte cifre caratteristiche (come lo sono quelle a seguire) che permettono, dal rilevamento sistematico di una popolazione abbastanza vasta di propulsori e dall'elaborazione statistica dei dati, l'individuazione (qui omessa in quanto esula dai contenuti del presente articolo) di una serie di mutui rapporti tra i numeri caratteristici medesimi così da ottenere delle leggi che leghino parametri geometrici e funzionali di classi di motori simili.
Definito come: 'il numero di giri della macchina simile a diametro unitario'.
'macchina simile significa che la sua efficacia si estende a macchine con la stessa architettura: monocilindrici con monocilindrici, bicilindrici con bicilindrici, ecc. Ma in realtà è in grado di dare informazioni anche spaziando tra le diverse architetture.
(2.6.1)
Indipendente da Vt e Z, dipendente da u e C/D.
Riunisce in sé i due parametri già descritti u e C/D ed indica pertanto il grado di sollecitazione meccanica del propulsore e permette di capire tra due motori simili quale risulta più sollecitato a parità di u.
Range
· <500: motori di tranquilla produzione di serie.
· 700-800: propulsori motociclistici 1000 4 cilindri.
· 800-900: propulsori motociclistici 600 e 750 4 cilindri.
· 900-1000: propulsori motociclistici 750 e 1000 2 cilindri.
· >1000: valore molto elevato, tipico di versioni SP di motori stradali (Aprilia RSV mille SP o Ducati 996 R) o modelli dichiaratamente concepiti per destinazione agonistica delle derivate dalla serie (Benelli Tornado). Comporta sollecitazioni di notevole entità, con conseguenti necessarie cure per l'affidabilità.
Limiti
Si ottengono dalla combinazione dei valori limite delle grandezze sopra descritte u e C/D. Un motore con u = 25 m/s e C/D = 0.55 avrebbe [n]D = 1364, che congloba limiti meccanici (da u) e limiti di progetto (tutto ciò che è connesso a C/D).
u = 27 m/s e C/D = 0.5 avrebbe [n]D = 1620.
Fig.6
2.7 [n]P, numero di giri caratteristico riferito alla potenza, [kW1/2/min]
Definito come: 'il numero di giri della macchina simile a potenza unitaria'.
Permette di capire quale, tra macchine simili, produca pari potenza a inferiore regime, ma la sua utilità si estende al di là di macchine simili, infatti tra bicilindrici e 4 cilindri vi è una sostanziale tendenza dei meno frazionati ad avere [n]P maggiore degli altri, indicazione evidente che per raggiungere la stessa potenza i 2 o 3 cilindri dovrebbero girare ben più forte dei 4 o più cilindri di pari cilindrata. Da cui maggiori sollecitazioni meccaniche e maggiori problemi di affidabilità.
Indipendente da Vt e Z, dipendente da u, C/D ed Lv.
Range
Nelle versioni stradali regolarmente in commercio si hanno i seguenti intervalli di valori per motori motociclistici sportivi dell'ultima generazione:
· 600 4 cilindri: > 56000
· 750 2 cilindri: > 70000
· 750 4 cilindri: tra 50000 e 65000
· 900 3 cilindri: 68000
· 1000 2 cilindri: tra 67000 e 80000
· 1000 4 cilindri: tra 54000 e 60000
In ambito automobilistico invece i valori, anche a parità di configurazione dei cilindri, sono nettamente inferiori.
Limiti
Non è una grandezza utile come raggiungimento di un limite massimo, anche se al crescere delle prestazioni essa cresce di conseguenza, è piuttosto un ottimo mezzo di confronto tra architetture diverse ed in un certo senso quantifica il 'dazio meccanico di rischio' per l'ottenimento della massima potenza.
Un ipotetico motore con LV = 1.5 kJ/litro, u = 25 m/s, C/D = 0.55 avrebbe [n]P = 117012.
Fig.7
2.8 [n]V, numero di giri caratteristico riferito alla cilindrata, [m/min]
Definito come: 'il numero di giri della macchina simile a cilindrata unitaria'.
Sostanzialmente equivalente in tutti i motori di ciascuna famiglia poiché a parità di cilindrata unitaria le corrispondenti macchine simili sono tutte caratterizzate da soluzioni condivise sia per C/D che per altri paramenti geometrici caratteristici. Esprimibile anche in funzione dei sopra descritti parametri come:
(2.8.1)
Da essa si evince che fissati u e C/D rimane fissato [n]D, risultante anch'esso indipendente da Vt e Z.
Range
Nelle versioni stradali regolarmente in commercio si hanno i seguenti intervalli di valori per motori motociclistici sportivi dell'ultima generazione:
· 600 4 cilindri: tra 650 e 700
· 750 2 cilindri: circa 793
· 750 4 cilindri: tra 600 e 750
· 900 3 cilindri: 770
· 1000 2 cilindri: tra 750 e 810
· 1000 4 cilindri: tra 640 e 700
Alle auto, in virtù dei maggiori C/D, competono valori inferiori.
Limiti
Dipendenti da C/D ed u, ma non dal frazionamento in relazione alla cilindrata (vedasi formula 2.7.1).
Ponendo valori di riferimento 'spinto' con C/D = 0.55 ed u = 25 m/s si ottiene [n]V = 1031, indipendentemente dal frazionamento della cilindrata totale. Con C/D = 0.5 ed u = 27 m/s si ottiene [n]V = 1186.
Fig.8
3. ARCHITETTURE
monocilindrico
2, 3, 4 in linea (vecchio Ducati, Triumph, Benelli, Giapponesi)
2 boxer (BMW)
2 V longitudinale (Guzzi)
2, 4, 5 V trasversale (Ducati, Aprilia, Honda RC, HD)
ove longitudinale e trasversale sono riferiti alla direzione dell'asse dell'albero a gomiti rispetto al senso di marcia del motociclo.
Alcune tendenze progettuali, vedasi il boxer della BMW, il V 90° trasversale della Guzzi, il V 45° della HD, sono dettate non tanto da motivazioni tecniche di vantaggio sugli altri schemi progettativi ma sulla tradizione e sull'immagine storica di una casa costruttrice, e non sono pertanto da considerare base di confronto per l'analisi tecnica del settore motociclistico sportivo, sempre più attento alle prestazioni ed alla tecnologia applicatavi soprattutto nelle classi di maggior mercato.
4. SOLUZIONI PROGETTUALI D'ASSIEME
Il motore di una motocicletta non risulta, al giorno d'oggi, progettato come se fosse 'semplicemente' una macchina termica: esso è un componente strutturale della ciclistica della moto che adempie anche alla funzione di machina termica. La grande rivoluzione che ha portato, attraverso gli anni novanta, alle attuali motociclette ha coinvolto soprattutto le caratteristiche ciclistiche: il motore è diventato parte integrante del telaio (ad esempio Honda CBR 900 RR del 2000, nella quale il forcellone è sospeso direttamente al motore) ed il telaio un componente che ingloba il motore alla ricerca della massima compattezza (vedasi Kawasaki ZX 12 R, dotata di telaio monoscocca) e rigidità.
Nel corso degli anni ottanta c'è stata una vera e propria corsa alla potenza con apparizione di modelli di serie dotati di potenza e velocità sempre più elevate a netto discapito della trattabilità del propulsore (si veda la grande 'cavalcata' delle 125 race replica fino ad inizio anni novanta, nate dalla Gilera SP 01, che si combattevano il mercato dei sedicenni a suon di quarti di cavallo quando ancora non vigevano leggi di limitazione e/o scooter), con telai che attualmente definiremmo quanto meno 'inappropriati' (vedasi Suzuki GSX R 1100 fine anni ottanta).
Ad inizio anni novanta la cosa ha subìto un notevole rallentamento, sia nel campo dei motori a 4T che 2T, gli incrementi di potenza specifica sono risultati sempre minori e quasi sempre per merito di incrementi del regime di rotazione (per il quale c'è stato un incremento del 40% negli ultimi 25 anni e del 10% negli ultimi 10 anni). Si è sviluppata l'elettronica di gestione dei propulsori che ha permesso l'ottenimento di miglioramenti notevoli ai medi regimi in favore di una miglior fruibilità del mezzo. Sono nati telai di serie direttamente ricavati dalle corse.
È iniziata la fase di integrazione del progetto.
Non più motore + telaio + sospensioni ove il telaio faceva da tramite di supporto, ma sviluppo del progetto finalizzato all'ottenimento di un mezzo più stabile, più maneggevole, più sicuro'e più veloce. Il tutto, a parere di chi scrive, è stato gran parte merito dei campionati di moto derivate dalla serie.
Per incrementare le prestazioni dei propulsori e non incrementare le sollecitazioni meccaniche, quindi la fragilità dei motori, e per ottenere maggiori sezioni di passaggio a disposizione dei gas si deve mantenere la velocità media dello stantuffo costante e diminuire il rapporto C/D, cose che permettono l'incremento del regime di rotazione ed il miglioramento del riempimento dei cilindri agli elevati regimi di rotazione. Ma al di sotto di un certo valore del rapporto C/D diventa sempre più difficile ottenere una camera di combustione di geometria favorevole unita ad un rapporto di compressione elevato. Inoltre alesaggi molto grandi portano ad avere ingombri che possono risultare problematici e concedono sì valvole di maggior diametro, ma anche di maggior peso, che con l'aumentare del regime di rotazione possono essere un ostacolo rilevante. Più valvole, di dimensioni inferiori comportano difficoltà di realizzazione, di fluidodinamica e di azionamento.
Si è lavorato e si lavora di cesello sui riempimenti, sullo sfruttamento dei fenomeni di risonanza nei condotti, sull'iniezione elettronica, sulla mappatura dell'accensione per mezzo di centraline di elaborazione dati multi-parametriche.
Va ricordato che rispetto ai motori automobilistici i motori motociclistici possono giovarsi di cilindrate unitarie molto inferiori, che permettono l'ottenimento di regimi molto superiori e quindi potenze specifiche molto superiori.
Per limitare il fenomeno di sbattimento dell'albero a gomiti nell'olio motore la coppa dell'olio risulta separata dalla camera di manovella e per aumentare la rigidità del motore, diventato componente stressato della ciclistica, i cilindri risultano venire ricavati dalla stessa fusione della parte superiore del carter contenente la camera di manovella.
CBR 600 F 99 R1
Tra i componenti più critici vi sono i segmenti degli stantuffi, oggetto di indagine approfondita dal momento stesso della nascita del motore alternativo in quanto artefici del 40 o 50% delle perdite organiche. Ridurre la potenza persa per causa del loro sfregamento sul cilindro, che aumenta con l'aumentare della velocità, significa aumentare la potenza effettiva utile all'albero. Tanto più in alto gira il motore tanto maggiori diventano i problemi legati all'inerzia dei segmenti, tanti meno se ne devono usare, tanto più sottili essi devono essere (fino a 0.7 mm di spessore). Ma col loro spessore diminuisce la superficie di scambio termico che raffredda lo stantuffo, da cui la pratica generalizzata di orientare getti d'olio sotto il cielo dello stantuffo per raffreddarlo, che però tende ad aumentare le perdite meccaniche.
Stantuffi che per essere leggeri risultano corti e rastremati con mantello ridotto ai minimi termini così come la lunghezza dello spinotto del piede di biella, costruiti con leghe leggere ad alto tenore di silicio a limatarne la dilatazione termica.
CBR 900 RR 916
La camera di combustione ha oramai lo stesso aspetto per tutti i motori, con 4 o 5 valvole (a tetto o radiali) per cilindro ed angolo tra esse di 25° circa, condotti di ammissione sempre più rettilinei e poco inclinati rispetto l'asse del cilindro per favorire la fase di aspirazione e così pure i condotti di scarico.
CBR 600 F 99-98 GSX R 600 2001
5. CONFRONTO MOTO-AUTO
Lo spazio ridotto dei motocicli è il vincolo che fa sorgere le maggiori differenze tra l'architettura dei motori auto e moto.
Costruttivamente la differenza che balza subito agli occhi tra motori d'auto e di moto è l'integrazione del gruppo del cambio che, per compattare l'insieme del propulsore, nei veicoli a due ruote si rende praticamente necessario.
Vi è maggior uniformità progettuale nelle vetture, nel senso che gli schemi motoristici delle moto sono molteplici rispetto alle auto (soprattutto a parità di cilindrata), i vantaggiosi elevati frazionamenti però sono ovvia prerogativa della maggiore disponibilità di spazio, ma va notato che la fantasia progettuale per innovazioni di qualsiasi tipo è molto maggiore nel mercato delle auto che non in quello delle moto, soprattutto grazie alla disponibilità economica al maggiore mercato connessa. Sistemi di distribuzione innovativi, meccaniche a rapporto di compressione variabile, la possibilità di adottare sistemi di sovralimentazione (che renderebbero probabilmente inguidabile una motocicletta), ed ogni dispositivo che permetta il miglioramento del rendimento del motore sono prerogativa soprattutto del campo automobilistico. Il lavoro che da anni si svolge nelle due ruote ha portato solo la Honda VFR 850 ad avere la distribuzione a geometria variabile, tutto il resto sono schemi progettativi che esistono praticamente da sempre. In molti propulsori motociclistici vengono accuratamente messi a punto gli effetti di tipo dinamico nei condotti di aspirazione e scarico, dati gli elevati regimi che tali motori possono raggiungere; nei prodotti di tipo più economico e nei motori automobilistici, dove i regimi di rotazione sono contenuti e/o esistono importanti esigenze di isolamento acustico, questi effetti non vengono presi in considerazione.
Ma la progettazione non ha subito e non sta subendo uno stop, ha 'solo' cambiato strada sull'insieme del progetto globale della motocicletta.