Officina: tutte le velocità del pistone

Molto spesso nel mondo della tecnica si parla di valori medi, pur sapendo che in diversi casi sono fittizi e che nella realtà le cose stanno diversamente, con variazioni continue di ciò che essi descrivono. Un esempio tipico è la velocità media del pistone, componente che non si muove certo in maniera uniforme. Quando si avvicina ai punti morti rallenta, fino a fermarsi repentinamente e a invertire il senso del proprio movimento, subito accelerando in direzione opposta.

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La velocità

La sua velocità aumenta con una determinata legge (oltre allo spostamento verticale del perno di manovella entra anche in gioco la lunghezza della biella, o meglio il suo rapporto con la corsa, e quindi l’inclinazione che essa assume) fino a raggiungere il valore massimo quando la biella è in quadratura, ossia forma un angolo di 90° con il braccio di manovella dell’albero. Con le lunghezze delle bielle usualmente adottate, ciò accade quando il perno di manovella si è spostato di circa 76° dal PMS. La velocità media del pistone, sempre riferita al regime di potenza massima, è di facile calcolo (basta conoscere la corsa e la velocità di rotazione) e fornisce utili informazioni in merito al livello di sollecitazione meccanica del motore. Inoltre, serve anche per effettuare importanti calcoli e valutazioni.

Nei motori delle moderne supersportive è compresa tra 22,4 e 24,7 m/s. Se non è nota la lunghezza della biella, è possibile conoscere con buona approssimazione la velocità massima del pistone moltiplicando quella media per 1,62. Questo presumendo che la biella sia lunga il doppio della corsa. Se invece di 2 il rapporto biella/corsa è 1,75 la velocità media va moltiplicata per 1,63. Moltiplicando la velocità media del pistone per la pressione media effettiva (PME) si ottiene la potenza specifica areale, che ci informa in merito al livello di esasperazione termica del motore. Ciò significa anche che la potenza è uguale al prodotto della superficie totale dei pistoni per la velocità media e per la PME. E che di conseguenza, se queste ultime due rimangono invariate, la potenza dipende soltanto dalla superficie totale dei pistoni. Una considerazione di non poco conto…

La velocità media del pistone ci consente anche di calcolare la velocità media dell’aria durante la fase di aspirazione. Pure in questo caso la realtà è diversa, ma il risultato che si ottiene è significativo e utile. Nel condotto infatti la velocità dell’aria cambia di continuo da zero a un valore massimo (che viene influenzato appunto dalla velocità del pistone e quindi dal regime di rotazione). In effetti anche se la sezione di passaggio fosse costante, il flusso sarebbe comunque pulsante perché l’azione di richiamo da parte del pistone cambia molto durante il suo movimento (inoltre non si deve trascurare l’inerzia dei gas). La situazione è resa più complessa dal fatto che la sezione a disposizione dell’aria non è fissa ma continuamente variabile. Alla estremità del condotto infatti c’è la valvola che si muove secondo una legge stabilita in fase di progetto. La sua alzata cambia e con essa la sezione disponibile.

Un po' di numeri

Anche se in realtà la velocità dei gas cambia di continuo (e molto!) può essere comunque utile sapere qual è il suo valore medio, puramente teorico. Per conoscerlo in genere la sezione di passaggio viene calcolata con la valvola ad alzata massima, semplicemente moltiplicando quest’ultima per la circonferenza del fungo (diametro x 3,1416). La velocità media dei gas si ottiene moltiplicando la velocità media del pistone per la superficie del pistone divisa per tale sezione (moltiplicata per 2 se il motore è a quattro valvole). È il sistema più semplice, non rispecchia esattamente la realtà ma fornisce un pratico riferimento. Se la velocità dell’aria è troppo bassa non è possibile sfruttare convenientemente la sua inerzia ai fini del riempimento (inoltre la turbolenza è modesta). Se la velocità è troppo alta diventano eccessive le perdite per attrito, ovvero cresce il lavoro di pompaggio (con relativa sottrazione di energia). Secondo la maggior parte degli autori la potenza più elevata si ottiene con una velocità media dell’aria dell’ordine di 70 – 90 m/s. Nelle MotoGP dovremmo essere dalle parti di 75 – 80 m/s e nelle sportive di serie siamo appena al di sotto.

Dunque i valori medi servono per effettuare calcoli, forniscono utili informazioni e possono costituire validi riferimenti. Talvolta però sono medi proprio quelli che si misurano! È questo il caso della coppia motrice. Quella che viene rilevata al banco è in effetti la media della coppia generata durante un ciclo, a quel dato regime. Se prendiamo ad esempio un monocilindrico, durante la fase di espansione la biella trasmette al perno di manovella una forza molto elevata, derivante dalla pressione dei gas. In quanto alla utilizzazione di tale forza (fortemente variabile) è però necessario considerare anche l’inclinazione della biella in relazione al braccio di manovella.

Quando la biella è allineata con l’asse del cilindro (ovvero al PMS), la forza può essere alta quanto le pare ma non genera alcuna coppia. Occorre che l’asse della biella formi un certo angolo con il braccio di manovella! L’ideale sarebbe avere la pressione massima quando questo angolo è più vantaggioso. Questo però non è possibile. La pressione massima si ha in genere 12°-16° dopo il PMS e l’angolo ottimale circa 76° dopo il PMS. A voler essere precisi, con una data apertura della valvola dl gas, a un determinato regime, la coppia media non è inoltre la stessa in tutti i cicli. Bisogna fare i conti con la dispersione ciclica. L’andamento della pressione in funzione dell’angolo di manovella non è eguale in tutte le fasi di combustione ed espansione che si susseguono. E quindi anche la forza trasmessa alla biella (pressione x superficie del pistone) cambia da ciclo a ciclo. Il picco di pressione al quale si fa riferimento è costituito dalla media delle pressioni massime in qualche centinaio di cicli consecutivi (in genere 250 o 300).

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