Prestazioni e rendimento nei moderni motori
Il motore è un convertitore di energia. Questa sua funzione però la svolge con una efficienza decisamente modesta, al punto che può davvero essere considerato un grande sprecone… Trasforma infatti in energia meccanica solo un terzo circa del calore sviluppato dalla combustione della miscela aria-carburante.
L’efficacia con la quale il motore effettua questa conversione è indicata dal rendimento termico, costituito dal rapporto tra ciò che viene raccolto dai pistoni (come energia meccanica) e la quantità di energia messa a disposizione dalla combustione. Come detto, solo una parte di quest’ultima viene effettivamente utilizzata, ossia è convertita in energia meccanica. Il resto finisce sprecato, in quanto perduto allo scarico o ceduto al sistema di raffreddamento.
I gas combusti che escono dai cilindri sono molto “energetici” e possono essere impiegati per azionare una turbina. Questa soluzione, che consente di recuperare una certa percentuale della energia che altrimenti andrebbe perduta, viene adottata diffusamente in campo automobilistico, nei motori sovralimentati mediante turbocompressore. A sottrarre calore alle pareti metalliche, evitando che gli organi lambiti dai gas possano raggiungere temperatura troppo elevate, provvede l’aria, direttamente o indirettamente (nei motori raffreddati a liquido). Pure l’olio dà un significativo contributo alla refrigerazione del motore. Una quantità modesta di calore viene inoltre ceduta per irraggiamento.
Rendimento perché
Il rendimento termico viene influenzato dalla forma della camera di combustione (fondamentale il rapporto superficie/volume!) ma è principalmente legato al rapporto di compressione. Aumenta infatti al crescere di quest’ultimo. L’insorgere della detonazione determina il valore più elevato che esso può assumere. Il massimo rapporto di compressione utilizzabile varia da motore a motore, in funzione di una serie di parametri come la temperatura delle pareti, le dimensioni e la geometria della camera di combustione e la posizione della candela.
È interessante osservare che a pari rapporto di compressione il rendimento del ciclo Diesel non è superiore a quello del ciclo Otto (anzi, è vero il contrario!). I motori a gasolio, per i quali non esiste il problema della detonazione, hanno consumi specifici minori rispetto a quelli ad accensione per scintilla perché possono adottare rapporti di compressione più alti! Un ulteriore vantaggio viene dato dal fatto che impiegano sempre miscele aria-carburante a dosatura magra (ossia con l’aria notevolmente in eccesso rispetto al gasolio).
La detonazione è una combustione anomala che può avere conseguenze deleterie per il motore. Si verifica quando l’ultima parte della carica fresca, non ancora raggiunta dal fronte di fiamma partito dalla candela, a un certo punto brucia improvvisamente con modalità pressoché esplosive. Ciò dà luogo a un repentino innalzamento di pressione e alla formazione di vere e proprie onde d’urto, che vanno a sbattere contro le pareti della camera. In determinate condizioni questo può causare una ben avvertibile rumorosità metallica detta battito in testa.
Tipicamente la detonazione può essere causata da un rapporto di compressione troppo elevato, da un anticipo di accensione eccessivo o dall’impiego di un carburante avente un potere antidetonante insufficiente, ovverosia un numero di ottano troppo basso.
Al crescere del rendimento termico il motore eroga una potenza maggiore, con una eguale quantità di carburante bruciato nell’unità di tempo. Questo vuol dire pure che, viceversa, con una identica potenza erogata esso consumerà di meno.
Attriti e non solo
Naturalmente occorre poi fare i conti con le perdite meccaniche, dovute all’attrito e al pompaggio (lavoro necessario per espellere i gas combusti e per aspirare la miscela aria-benzina nei cilindri). In altre parole, con le perdite di energia che si verificano lungo il percorso che dal cielo dei pistoni porta alla uscita del moto, ovvero all’ingranaggio conduttore della primaria. Il rapporto tra la potenza fornita dal motore alla trasmissione e quella “prelevata” dai pistoni (ovvero teoricamente disponibile) costituisce il rendimento meccanico.
Tra le perdite per attrito sono preponderanti quelle dovute al gruppo pistone-segmenti. Ai bassi regimi sono piuttosto notevoli quelle dovute alla distribuzione, che poi diminuiscono sensibilmente, in percentuale, al crescere della velocità di rotazione. Per quanto riguarda l’assorbimento di energia dovuto al pompaggio e allo sbattimento (“freno olio”), accade l’inverso: è modesto ai bassi regimi ma cresce in misura sempre più rilevante all’aumentare della velocità di rotazione del motore.
Altre perdite hanno naturalmente luogo lungo il tragitto che dal pignone della primaria va alla ruota posteriore; anche la trasmissione infatti ha il suo rendimento meccanico. Gli assorbimenti sono dovuti agli ingranaggi, ai cuscinetti, allo sbattimento dell’olio e al gruppo pignone/corona/ catena finale.
Il rendimento globale del motore è costituito dal prodotto dei due rendimenti ora descritti, ossia quello termico e quello meccanico.
Il falso mito della coppia massima è dato dal fatto che effettivamente ci sia un rendimento che è il maggiore in questa situazione, ma non è quello termico. Il rendimento ottimizzato al regime di coppia massima è quello volumetrico. In pratica in quel punto ogni ciclo del motore riesce a generare la massima forza, poichè si tratta del regime a cui riesce a riempirsi in maniera migliore il pistone.
Dovrebbe essere tutto corretto, ma prego chiunque sia in possesso di una buona esperienza in merito di correggere eventuali imprecisioni.
Se comunque si parla di consumi globali, quindi non solo di rendimento del motore, intervengono una marea di fattori come l'aerodinamica (attrito con l'aria), le gomme (attrito con il terreno), il peso (inerzia... che poi è differente per masse sospese e non sospese) e le stesse masse del motore. Il benzina infatti non sempre consuma più di un coevo a gasolio. In città spesso il benzina, a parità di piede, è capace anche di pareggiare. Il motore diesel infatti, correggetemi se sbaglio, ha masse interne molto superiori. Questo comporta che sia un motore in cui i consumi salgono molto più del benzina durante le accelerazioni.