Quattro cilindri in linea, V6, W12. Molto spesso sentiamo parlare del frazionamento, o numero dei cilindri, quando vogliamo conoscere le prestazioni dei motori. Un numero dietro il quale c’è una scelta tecnica ben precisa, che va al di là del mero impatto che può dare la percezione di un valore elevato. Non sempre un elevato numero corrisponde ad un’elevata prestazione e quando lo è, non è così scontato come può sembrare. Quando parliamo di cilindri, per assonanza pensiamo subito alla cilindrata. Si pensa immediatamente che maggiore è la cilindrata, maggiore è la potenza erogata dal motore. Questo è vero in parte. La cilindrata è infatti determinata dall’alesaggio (il diametro interno del cilindro all’interno del motore), quasi simile al diametro del pistone (che si muove all’interno del cilindro), e dalla corsa, ovvero il percorso lineare del pistone fra l’estremità più alta (Punto Morto Superiore) e l’estremità più bassa (Punto Morto Inferiore) del ciclo. E’ importante infatti ricordare che, all’interno del motore, il pistone dentro al cilindro trasforma l’energia chimica della benzina in energia meccanica grazie allo scoppio di essa. L’energia meccanica viene poi trasferita all’albero a gomiti, che si occupa di trasformare il moto alternato del pistone in quello rotativo. Delle due grandezze poco sopra citate, è l’alesaggio che influisce sulla potenza utile che il motore può erogare. Nella Formula della Potenza Unitaria questo è subito verificabile:
Dove:
Il termine che ci interessa nell’argomento che stiamo affrontando è S, ovvero la superficie del cielo del pistone (la sua parte superiore), quella che determina la dimensione della camera di combustione quando il pistone raggiunge il Punto Morto Superiore. E vediamo subito che la potenza utile è direttamente proporzionale alla superficie S: più la superficie è elevata, più potenza il motore è in grado di erogare. La corsa non compare: non influisce direttamente sulla potenza erogata, ma non è una grandezza da trascurare. La corsa è infatti determinata dal diametro dell’albero motore: maggiore sarà il suo diametro, maggiore sarà la sua massa (e la sua inerzia) e maggiori saranno le sollecitazioni meccaniche, Inoltre, a parità di lunghezza della biella, sarà anche maggiore l’inclinazione di quest’ultima. Più la biella è inclinata, maggiore è la spinta del pistone sul cilindro, con conseguente aumento di perdite per attrito durante il moto alternato del pistone. Le perdite per attrito si traducono in una minore efficienza del motore. Questo non significa che convenga adottare motori monocilindrici. Come sappiamo (clicca qui), con un solo cilindro è obbligo adottare il contralbero di bilanciamento per l’equilibratura al fine di ridurre le vibrazioni che si generano ad alti regimi. Inoltre, per raggiungere potenze elevate, è necessario adottare un pistone dal diametro molto elevato, il che è controproducente in quanto comporta l’uso di pistoni ingombranti e pesanti, nonché di bielle ed alberi motori di grandi dimensioni, per sopportare le significative sollecitazioni meccaniche dovute proprio alla grande inerzia dei componenti. Il tutto preclude la possibilità al motore di operare agevolmente a regimi elevati a causa dell’inerzia di questi componenti. È chiara quindi la necessità di adottare più cilindri (di dimensioni minori), che assieme sono in grado di erogare una potenza maggiore. La Formula della Potenza Unitaria è riferita ad un singolo cilindro e la potenza è una grandezza sommabile, per cui la Formula della Potenza per un motore frazionato è la seguente.
Dove Z sta per il numero dei pistoni. Con pistoni e componenti ad essi associati di dimensioni ridotte, ciascuno di essi risulta leggero rispetto alla soluzione monocilindrica, consentendo di operare agevolmente anche a regimi elevati con sollecitazioni meccaniche contenute. Inoltre, con tali dimensioni contenute, le camere di combustione sono compatte, garantendo un rapporto di compressione elevato e, quindi, una combustione più efficiente. Come in ogni soluzione tecnica, c’è sempre il rovescio della medaglia. Maggiore è il numero dei pistoni, maggiore è l’ingombro e il peso del motore. La superficie totale dei cilindri è maggiore, con conseguente maggiore dissipazione di energia prodotta dalla combustione. Aumentano gli attriti di strisciamento fra pistone e cilindro, che causano un peggioramento del rendimento meccanico (efficienza), seppur compensato da una maggiore potenza erogata. E non è tutto. Al fine di rimarcare che è importante ragionare in termine di superficie totale dei cieli dei pistoni piuttosto che per la cilindrata, viene definito un parametro noto come Potenza Specifica Areale, dato dal rapporto fra la potenza utile e la superficie complessiva ZxS. Questo parametro definisce le prestazioni del motore in oggetto e li classifica in base al valore di tale parametro (maggiore sarà esso e maggiori saranno le prestazioni del motore), inoltre permette di mettere a confronto motori diversi fra loro. Anche in questo caso, il parametro conferma che un maggior numero di pistoni genera una maggiore potenza, a parità di prestazioni meccaniche, termiche e fluidodinamiche del motore.
Testo: Riccardo Casini
Foto: © Car-Shooters
