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IL
MOTORE
CHE COSA E'?
Sembrerebbe una domanda banale.
In realtà un motore è un apparato piuttosto complesso se andiamo a valutare
gli elementi
principali che influenzano il suo rendimento.
In generale un motore è un apparato che trasforma l'energia termica in energia
meccanica. Per fare questo brucia del carburante che normalmente è la benzina.
COME E' FATTO?
I motori utilizzati in campo motociclistico, sono a quattro o a due tempi.
Nei primi il
ciclo di funzionamento si svolge in due giri dell'albero a gomiti, mentre nei
secondi ha
luogo in un solo giro dell'albero stesso per poi ripetersi.
Volendo descrivere in modo schematico come è composto un motore, potremmo dire
che esso è costituito da un basamento sul quale è vincolato un cilindro (o
più) chiuso
all'altra estremità da una testa. Dentro il cilindro è alloggiato il pistone
che ha un
piccolissimo gioco che gli permette di muoversi liberamente. Nel basamento trova
posto
l'albero motore (o a gomito) che è vincolato al pistone attraverso un asse che
è la biella.
Tra il pistone e la testa è ricavata la camera di combustione dove avviene lo
scoppio del
carburante. La camera può essere scavata nella testa o nel cielo (parte
superiore) del
pistone.
I motori a quattro tempi, che sono quelli che esaminiamo in questa sede,
nella testa
hanno dei condotti che servono per far entrare la miscela aria-benzina nel
cilindro
(condotto di aspirazione) e a far uscire i gas combusti (condotto di scarico).
Ogni
condotto è provvisto di una valvola che si apre e si chiude in momenti
prestabiliti e che
mette in comunicazione il relativo condotto con il cilindro.
Per proseguire il discorso, è opportuno prendere confidenza con alcuni termini
che
indicano delle caratteristiche fondamentali di un motore. Questi sono:
- ALESAGGIO, che indica il diametro interno del cilindro espresso normalmente
in
millimetri.
- CORSA, che indica la distanza che separa i due punti estremi della corsa
del
pistone. Anch'esso viene espresso in millimetri
- Punto Morto Superiore (PMS), indica uno dei due estremi della corsa del
pistone, ed
in particolare quello più vicino alla testata. In questo punto il pistone
inverte la sua
corsa.
- Punto Morto Inferiore (PMI), indica l'altro punto in cui il pistone inverte
la sua
corsa, ed in particolare il punto più vicino all'albero motore.
La CILINDRATA di un motore, è nient'altro che il volume generato dal pistone
durante
la sua corsa da un punto morto all'altro. È espressa in centimetri cubici (cc)
e nei motori
con più cilindri è data dalla somma dei volumi di ogni cilindro. In questo
caso la
cilindrata di un solo cilindro è detta "cilindrata unitaria".
La cilindrata può essere facilmente calcolata una volta noti l'alesaggio e la
corsa. Basta
infatti prendere metà dell'alesaggio, moltiplicarla per se stessa e quindi per
3,1416.
Moltiplichiamo il risultato per la corsa ed otteniamo la cilindrata unitaria. Se
abbiamo
più cilindri, basta moltiplicare la cilindrata ottenuta per il numero dei
cilindri.
ES. prendiamo ad esempio un cilindro che ha come misure caratteristiche un
alesaggio di 82 mm ed una corsa di 70mm.
L'operazione da compiere sarà: 82/2 = 41.
Moltiplichiamo poi questo valore per se stesso: 41*41 = 1681.
Moltiplichiamo ancora questo valore per il p greco: 1681*3,1416 = 5281,0296.
A questo punto conosciamo l'area della base del cilindro.
Ora moltiplichiamola per l'altezza (cioè per la corsa): 5281,0296*70 =
369372,072.
Abbiamo ottenuto il volume del cilindro espresso in mm cubici. Per conoscere i
cc basta dividere il valore
per 1000 ed otteniamo: 369372,072 / 1000 = 369,372072.
Ossia otteniamo una cilindrata di circa 369 cc che con un po’ di
approssimazione potrebbero andare bene
per definire la moto una 350 ma di solito si approssima per eccesso e
quindi si potrebbe parlare di una 400.
Se poi parliamo di un bicilindrico, allora la cilindrata totale diventa: 369*2 =
738 cc.
In questo caso la moto potrebbe essere indicata come una 750 cc.
Provate a leggete i valori di alesaggio e corsa dal manuale di uso e
manutenzione della vostra moto e
divertitevi a calcolare la cilindrata effettiva.
Passiamo ora ad illustrare le fasi in cui si svolge un ciclo completo di un
motore a
quattro tempi.
1) Fase di aspirazione
In questa fase, la valvola di scarico è chiusa, la valvola di aspirazione è
aperta, il pistone
scende verso il PMI ed aspira dentro il cilindro la miscela di aria-benzina. Si
ha
praticamente a che fare con una vera e propria pompa che in questo momento
consuma
energia anziché produrla. Siamo quindi di fronte ad una delle tre fasi passive
del
motore.
C'è da dire che la valvola di aspirazione, non si apre esattamente quando il
pistone è al
PMS, ma si apre qualche grado prima, mentre il pistone sta ancora salendo e
mentre la
valvola di scarico è ancora aperta. Questo fatto sembrerebbe un controsenso in
quanto
viene da pensare che salendo il pistone spinga fuori i gas freschi anziché
aspirarli.
In realtà quello che succede è che i gas combusti, sono piuttosto compressi e
lasciando
la camera di combustione attraverso il condotto di scarico creano una
depressione che
risucchia i gas freschi dentro il cilindro nel momento in cui si apre la valvola
di
aspirazione. Questo anche se il pistone deve ancora arrivare al PMS.
Chi è interessato, troverà l'approfondimento di questo aspetto nella sezione
dedicata al
RENDIMENTO VOLUMETRICO.
2) Fase di compressione
Terminata l'aspirazione, il pistone si ritrova al PMI, la valvola di aspirazione
si chiude e
comincia la fase di compressione. Il pistone risale quindi verso il PMS e
comincia a
comprimere la carica di aria-benzina. Comprimendosi, la carica si scalda fino a
raggiungere temperature dell'ordine dei 350-500° C e raggiunge pressioni
dell'ordine di
12-20 bar. La variabilità dei valori indicati, dipende principalmente dal
rapporto di
compressione raggiunto dal motore in esame. Maggiore è il rapporto di
compressione,
maggiore sarà la temperatura e la pressione dei gas nella camera di
combustione.
3) Fase di espansione
Lo scoccare della scintilla tra gli elettrodi della candela innesca la
combustione. I gas
bruciano rapidamente e la pressione si innalza a 60-75 bar (nei motori piuttosto
spinti).
Il pistone intanto ha già iniziato la sua corsa verso il PMI. La forza dei gas,
spinge il
pistone che effettua così l'unica fase utile del ciclo. Circa un terzo
dell'energia liberata
dalla combustione viene trasformata in energia meccanica. Gli altri due terzi
vengono
persi tra sistema di raffreddamento e gas di scarico che escono dal cilindro ad
una
temperatura di 900-1400° C. Potete trovare un approfondimento circa la
quantità di
energia termica che viene trasformata in energia meccanica nella sezione
dedicata al
RENDIMENTO TERMICO del motore.
4) Fase di scarico
Quando il pistone raggiunge il PMI, la valvola di scarico è già aperta da un
considerevole lasso di tempo (45°-85°). Questo perché l'ultima parte della
corsa del
pistone è poco significativa ed il fatto che una gran quantità di gas combusti
abbandoni
il cilindro spontaneamente a causa della loro elevata pressione prima che il
pistone torni
a salire verso il PMS, evita che il pistone debba fare un grande lavoro
(pompaggio) per
espellere i gas durante la sua risalita.
Abbiamo quindi visto che su quattro fasi, tre sono fasi "passive"
ed una sola fase è
attiva e permette al motore di esprimere la sua potenza. Le tre fasi passive,
comportano
chiaramente delle perdite di energia che possono essere sommate a tutte quelle
perdite
che avvengono durante il cammino che l'energia compie per arrivare ad essere
utilizzata
dalla ruota posteriore del motoveicolo. L'entità di queste perdite, è indicata
dal
RENDIMENTO MECCANICO del mezzo. L'argomento è approfondito nella
corrispondente sezione.
Fange
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