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Modulare
Termine
usato sia per indicare motori* che possono funzionare regolarmente anche
disattivando due o più cilindri*, sia propulsori, diversi come architettura,
progettati per utilizzare gli stessi componenti base, sia infine complessi
che sono costituiti da una o più unità autonome affinacate, come un motore
pluricilindrico. Motori del primo tipo hanno suscitato un certo interesse
all’inizio degli anni Ottanta, quando l’Alfa Romeo e, soprattutto, l’americana
Cadillac li produssero in piccola serie con l’obiettivo di ottenere interessanti
riduzioni di consumo, specie nella marcia in città o in condizioni di limitata
richiesta di potenza. La modularità del quattro cilindri Alfa Romeo era
ottenuta «tagliando» l’iniezione* di benzina in due cilindri. Nel motore
Cadillac (un otto cilindri) ciò avveniva, a seconda delle circostanze, su
due o quattro cilindri dei quali venivano bloccate anche le valvole*. Il
secondo significato di «modulare» è, invece, più che mai attuale, perché
si stanno diffondendo sistemi di produzione che raggiungono notevoli economie
di scala utilizzando il maggior numero possibile di elementi comuni su motori
aventi un numero di cilindri anche molto diverso. Il sistema Mercedes (ZAS)
disattiva quattro deglo otto cilindri tenendo chiuse le valvole per mantenere
l’aria calda e non infuenzare il catalizzatore.
Molla di richiamo
Componente
della distribuzione* che richiude la valvola* di aspirazione o di scarico
dopo che questa è stata aperta dalla camma*. Le molle devono avere caratteristiche
tali da impedire il cosiddetto «sfarfallamento» delle valvole che, oltre
a limitare le prestazioni del motore, è molto pericoloso perché può provocare
il contatto tra la valvola, appunto, e il cielo del pistone*. Oltre determinati
regimi di rotazione le molle di tipo metallico non sono più in grado di
garantire un sincronismo perfetto, in quanto troppo sollecitate dall’inerzia
delle valvole. Per raggiungere regimi sempre più elevati è necessario dunque
ricorrere a valvole più leggere (e quindi con meno inerzia) o addirittura,
come avvenuto in «formula 1», a molle di richiamo pneumatiche che consentono
incrementi anche del 20%. Per avere un’idea dell’influenza del peso, basti
pensare che una valvola cava di titanio internamente riempita di sodio (26
grammi) permette di raggiungere i 15.500 giri, contro i 14.000 di una valvola
d’acciaio delle stesse dimensioni (48 grammi).
Momento di inerzia
E’
la misura della difficoltà che si incontra nel porre in rotazione un corpo
o anche nell’arrestare un corpo che è in rotazione. Tra la coppia necessaria
per far girare un corpo e la sua accelerazione angolare esiste una proporzione
diretta che è appunto il momento di inerzia del corpo. Esso si misura in
kg m2, mentre la velocità angolare è in rad/s. E’ evidente che quanto più
il corpo pesa, tanto più è alta la sua inerzia, e quindi la massa del corpo
(misurata in kg) influisce sul momento d’inerzia. Ma grande influenza ha
anche la distanza delle varie masse in cui si può considerare diviso il
corpo rispetto al centro di rotazione. Ecco perché compare, al quadrato,
un valore di lunghezza, detto raggio giratore: tale valore è la distanza
dal centro di rotazione in cui si potrebbe pensare concentrata tutta la
massa del corpo per ottenere la stessa inerzia del corpo reale in considerazione.
Il momento di inerzia è molto importante nelle considerazioni riguardanti
i moti rotatori, così frequenti in campo automobilistico e motociclistico.
Non solo per quanto riguarda le ruote, ma gli ingranaggi, gli alberi e tutto
quanto è in rotazione. In genere si cerca di ridurre al minimo il momento
di inerzia con materiali leggeri e “svuotando” le zone non importanti (usando
cioè ad esempio le ruote a raggi) . Però l’inerzia può anche essere utile
per regolarizzare un moto rotatorio che tende a non essere regolare: il
volano* ha questa funzione. Vedi anche effetto giroscopico.
MON
Sigla
di Motor Octane Number, metodo sperimentale per la determinazione del numero
di ottano* di una benzina. Differisce dal Research Octane Number (RON*)
per il preriscaldamento della miscela, la più elevata velocità di rotazione
e la possibilità di variare l’anticipo d’accensione* del motore da laboratorio
utilizzato per la prova, che quindi sottopone il carburante a carichi termici
più elevati. Per questi motivi i numeri di ottano secondo MON sono più bassi
di quelli rilevati secondo RON.
Monoblocco o blocco cilindri
E’
l’elemento su cui si avvita la testata e che raggruppa tutti i cilindri
e generalmente fa un tutt’uno col basamento, il quale supporta l’albero
motore all’interno e porta all’esterno gli attacchi per ancorarsi alla struttura
del veicolo. Costruito generalmente in alluminio per l’alimentazione a benzina,
risulta invece più pesante per il Diesel, che ha problemi di robustezza
e smorzamento delle vibrazioni e che quindi utilizza più frequentemente
la ghisa. Oggi, con la ghisa grafitica vermicolare (GGV) si sono ottenute
riduzioni di peso dal 10% al 20%.
Montanti
Sono
le parti della carrozzeria* su cui poggia il tetto e che hanno grande importanza
per la robustezza strutturale della parte alta della scocca*. La loro resistenza
è fondamentale per il mantenimento dello spazio vitale nell’abitacolo in
caso di ribaltamento della vettura. Nella letteratura tecnica anglosassone
i montanti sono chiamati «pillar»: l’«A pillar» è il montante anteriore,
quello a lato del parabrezza; il «B pillar» quello mediano (che, soprattutto
sulle coupé e sulle cabriolet, può anche mancare per conferire maggiore
slancio alla linea della fiancata); il «C pillar» è il montante più arretrato,
quello che unisce il padiglione al parafango posteriore.
Moto desmodromico
Un
sistema che utilizza per il richiamo delle valvole un sistema meccanico
anziché le comunissime molle d’acciaio o pneumatiche. Tramite camme e bilancieri
le valvole vengono richiuse e possono essere raggiunti regimi di rotazione
elevatissimi.
Motore a 2 tempi e 4 fasi
E’
il motore a pistoni in cui il ciclo completo si compie in due sole corse
del pistone anziché in quattro (un giro dell’albero motore). Le fasi sono
comunque quattro, due si compiono durante la corsa di lavoro (verso il punto
morto inferiore) e sono l’espansione e lo scarico; le altre due si compiono
durante il viaggio del pistone verso il punto morto superiore e sono il
lavaggio con immissione e la compressione. A parità di cilindrata la sua
potenza però non è il doppio di quella di un motore a scoppio a causa del
rendimento inferiore. Nel motore a due tempi non si considera più il rendimento
volumetrico ma il rendimento del lavaggio, che è massimo quando si ottiene
la massima carica di gas freschi, la massima eliminazione di gas combusti
e la minima perdita di gas freschi allo scarico. A parità di cilindrata
il due tempi ha una potenza maggiore di un quattro tempi. Infatti ha una
corsa attiva per giro e può salire di giri perché è leggero e con pochi
componenti, il che compensa (a livello potenza sviluppata) la coppia piuttosto
bassa e irregolare specie a basso numero di giri, caratteristica che lo
rende adatto a veicoli di massa ridotta, come moto. Costa poco e può funzionare
anche capovolto, grazie al sistema di lubrificazione dal carter. Gli inconvenienti
sono l’inquinamento, il consumo (cioè il rendimento*), la durata. Tuttavia,
grazie all’elettronica, che può controllare meglio le fasi critiche del
due tempi (specie a bassa velocità) c’è un nuovo interesse (Toyota, Ford,
GM e Fiat) e il prodotto più avanzato è la versione “Orbital”, che però
attualmente ha durata scarsa per via della debole lubrificazione nel carter-pompa
ed ha elevato consumo d’olio. Si conosce anche la realizzazione “Freedomair”,
sempre australiano, che può trasformare un quattro tempi in un due tempi:
si elimina l’uso del carter-pompa, fonte di inquinamento anche per il consumo
d’olio. Ad esempio la fase di lavaggio, dove normalmente con lo scarico
se ne va anche dal 10 al 30% di miscela incombusta, può essere eseguita
con aria con contenuto EGR addirittura del 40%, e iniettare poi il carburante
direttamente nel cilindro (Ditech = Direct Injecyion Technology sarà utilizzato
anche da Aprilia). E’ un po’ la tecnica dei “lean burn” ma con la necessità
di interventi dell’iniettore molto più rapidi perché i giri sono alti e
l’iniezione avviene ad ogni giro. Altri interventi prevedono compressore,
valvole e catalizzatore. Col compressore si può inviare una miscela di aria
e carburante (1/1) quando il pistone in risalita ha già chiuso le luci e
quindi non si ha emissione di idrocarburi nella fase di lavaggio, eseguita
con sola aria: necessita ovviamente di lubrificazione separata. La Toyota
ha realizzato un interessante 2 tempi Diesel con 4 valvole per cilindro
(tornano quindi le valvole), compressore “Roots” (a lobi) per il lavaggio,
candeletta di preriscaldamento e precamera (eliminabile in futuro con un
common rail* e iniezione diretta) , praticamente anche questo un 4 tempi
trasformato in due tempi. Il due tempi è meno longevo del quattro tempi
perché deve utilizzare alle bielle e al banco dei cuscinetti a rotolamento,
tali cioè da poter essere lubrificati “a nebbia”, come avviene con la miscela
mischiata all’aria. Questi cuscinetti hanno capacità di carico decisamente
inferiore a quelli a strisciamento (bronzine) del motore a quattro tempi.
Motore a 4 tempi e 4 fasi
Motore
in cui il ciclo completo si compie in quattro tempi: aspirazione, compressione,
espansione e scarico (quattro corse del cilindro, due giri dell’albero motore)
- e in quattro fasi termodinamiche: compressione adiabatica, isovolumica
(motori AS) oppure isobara (Diesel) adiabatica e isovolumica. Vedi anche
motore a scoppio.
Motore a 6 tempi - combustione esterna
Il
pistone percorre sei volte il cilindro prima di ripetere il ciclo. Se
la fase attiva fosse una sola sarebbe un motore troppo lento o che comunque
richiederebbe molti pistoni per avere un funzionamento regolare ai bassi
regimi. Invece le fasi attive di espansione con produzione di lavoro sono
due e quindi ai fini della regolarità di funzionamento è come se si trattasse
di un “tre tempi” e l’albero della distribuzione, che muove le valvole,
gira a un terzo della velocità del motore, può funzionare anche come monocilindrico.
Invece della camera di scoppio ci sono altre due camere esterne con cui
viene alternativamente messo in comunicazione il cilindro durante la fase
di compressione. Queste camere sono indipendenti e una attorno all’altra:
quella più esterna detta di riscaldamento e l’altra detta di combustione.
Le valvole in testa al cilindro sono quattro: una di aspirazione e una
di scarico, verso l’esterno, più una per collegarsi con una camera e una
con l’altra. 1°tempo - Pistone che scende, valvola di aspirazione aperta,
aspirazione di aria dall’esterno. 2°tempo - Pistone che sale, valvola
di comunicazione con la camera di riscaldamento aperta, compressione di
aria nella camera di riscaldamento, accensione della miscela nella camera
di combustione alla fine della salita del pistone (combustione esterna).
3°tempo - Pistone che scende, valvola di comunicazione con la camera di
combustione aperta, fase di lavoro attiva. 4°tempo - Pistone che sale,
valvola di scarico aperta, espulsione della miscela combusta. 5°tempo
- Pistone che scende, valvola di comunicazione con la camera di riscaldamento
aperta, fase di lavoro attiva. 6°tempo - Pistone che sale, valvola di
comunicazione con la camera di combustione aperta, compressione dell’aria
nella camera di combustione. Inizio del nuovo ciclo. In pratica una volta
espande miscela e una volta espande aria pura con vantaggi nelle emissioni
e vantaggi termodinamici per il migliore sfruttamento del calore di combustione
che non se ne va coi gas di scarico. Inoltre può bruciare benzina (e ci
vuole una candela nella camera di combustione) oppure nafta (AC*) o altri
combustibili. Al lato pratico sono delicate le fasi di trasferimento di
calore attraverso le pareti sottili tra le due camere e soprattutto la
realizzazione pratica delle camere stesse.
Motore a quattro cilindri in linea
E’
uno dei motori più classici. Ogni cilindro (come avviene in tutti i 4 tempi)
ripete lo schema di lavoro ogni 360x2=720°. Nel frattempo devono avere lavorato
tutti i cilindri per cui la scalatura degli scoppi è 720°/4=180°. Serve
dunque un albero motore piatto. Esso ha due manovelle centrali dirette in
un senso e le due laterali nell’altro senso per essere staticamente (equilibrio
delle forze centrifughe) e dinamicamente (equilibrio dei momenti delle forze
centrifughe) equilibrato. I supporti possono essere 3 (uno centrale e due
alle estremità) oppure 5, assai raramente solo 2 (i laterali). Le forze
alterne del secondo ordine non risultano equilibrate perché quando due bielle
sono al PMS le altre due sono al PMI il che si traduce in una scossa verso
l’alto, dato che le accelerazioni al PMS sono molto maggiori di quelle al
PMI. Occorrono dunque due contralberi per avere la bilanciatura ottimale.
Data la simmetria, le forze alterne del secondo ordine non danno luogo a
momenti del secondo ordine.
Motore a rapporto di compressione variabile
Sviluppato
dalla Saab col nome di SVC (Saab Variable Compression) consiste in un motore
sovralimentato volumetricamente dove un sistema di biellette manovrate da
un albero a gomiti secondario, a comando idraulico, alzano o abbassano il
complesso unitario formato da testa e cilindri (monohead). In pratica il
pistone si trova a scorrere in un cilindro che può spostarsi a sua volta
in alto o in basso, assieme alla testa, diminuendo o aumentando il volume
della camera di scoppio. Ciò permette di scegliere (elettronicamente) il
miglior rapporto di compressione* compatibile con le prestazioni che si
pretendono: i vantaggi riguardano i consumi (fino al 30% in meno) e le emissioni.
A carico parziale il rapporto di compressione può essere aumentato di molto
(14:1) perché si è lontani da fenomeni di autoaccensione; viceversa (8:1)
a pieno carico dove interviene anche il compressore volumetrico. La cilindrata
è modesta (1,6 l nel primo prototipo - 168 kW di potenza massima- 305 Nm
di coppia massima, 5 cilindri a corsa lunga), dato che il rendimento è elevato,
il che permette anche di viaggiare sovente in condizioni di “pieno carico”-
cioè a carico non parzializzato- dove le perdite di aspirazione sono inferiori
perché la farfalla è più aperta. lo SVC è stato studiato da Saab proprio
perché specialista di motori sovralimentati, che soffrono le conseguenze
di bassi rapporti di compressione* (8:1) quando non sono utilizzati a piena
potenza.
Motore a scoppio
E’
l’elemento che produce il lavoro necessario per il moto del veicolo. I propulsori
automobilistici più comuni sono del tipo a combustione interna (definizione
migliore che non “motore a scoppio”) a quattro tempi* e appartengono, salvo
rare eccezioni, a due grandi famiglie a seconda del tipo di combustibile
e conseguentemente al tipo di ciclo termodinamico: benzina ( più raramente
metano o GPL) oppure gasolio. I motori del primo gruppo funzionano secondo
il ciclo Otto e sono detti anche ad accensione comandata o ad Accensione
per Scintilla, sigla AS; quelli a gasolio, o a ciclo Diesel*, sono invece
definiti ad Accensione spontanea per Compressione, sigla AC. In entrambi
i casi il lavoro viene svolto dal pistone*, detto anche stantuffo, che trasferisce
alla biella* le forze generate dai gas della combustione sulla sua parte
superiore (cielo). Il pistone deve anche guidare il movimento della biella
all’interno della canna, sopportando la parte di forze perpendicolari alle
pareti del cilindro*. Il compito di garantire la tenuta dei gas viene affidato
sia al mantello del pistone, la parte che scorre nella canna, sia agli anelli
di tenuta, detti anche fasce elastiche o segmenti. La biella unisce il pistone
all’albero motore*. L’albero motore provvede a trasformare il movimento
alternativo del pistone in moto rotatorio. Il basamento (chiamato anche
monoblocco o blocco cilindri) ha il compito di supportare e contenere gli
organi interni in movimento e di realizzare una tenuta fra i circuiti di
lubrificazione* e di raffreddamento* e il manovellismo di pistoni, bielle
e albero motore. Esso inoltre funge anche da ancoraggio per componenti quali
il motorino d’avviamento, l’alternatore*, il compressore del condizionatore*
e le pompe dell’acqua, dell’olio e del servosterzo*. Le canne cilindri possono
essere ricavate direttamente nel basamento, oppure possono esservi «riportate»
in un materiale diverso. Il motore generalmente è chiuso in alto dalla testata
(testa cilindri*) e in basso dalla coppa dell’olio. Termodinamicamente i
motori AS e AC hanno trasformazioni teoriche analoghe per i tempi di aspirazione,
compressione e scarico che sono rispettivamente isobara, adiabatica, e isocora
(detta anche isovolumetrica) mentre la fase di scoppio per i primi è un’isocora
mentre per i secondi è un’isobara. Il tempo di espansione corrisponde nel
primo caso a un’adiabatica e nel secondo all’isocora di cui sopra e a un’adiabatica.
Vedi anche alimentazione e angolo di combustione (per le differenze tra
Otto e Diesel) e accensione.
Motore a turbina (ciclo di Joule)
E’
un motore che esegue un ciclo teoricamente formato da due isobare e due
adiabatiche. Il fluido (che può essere aria) viene aspirato alla pressione
esterna (isobara), compresso adiabaticamente (in genere a valori di 1,5-2
bar per i “benzina”), riscaldato ed espanso isobaricamente, fatto ancora
espandere adiabaticamente fino alla espulsione (isobara) alla pressione
esterna. Durante la fase di espansione, in particolare quella adiabatica,
si ricava lavoro per muovere un albero di trasmissione o per azionare un
turbocompressore. La massima energia ricavabile (rendimento) si ha quando
tutta l’energia cinetica è sfruttata ai fini del lavoro ricavabile, cioè
quando la pressione finale della fase di espansione coincide con la pressione
esterna e a questo fine ha molta importanza la forma dei condotti. Un condotto
convergente fa aumentare di molto la velocità del fluido fino al massimo,
che è la velocità del suono, in tale condizione la pressione di uscita è
quella “critica”, pur sempre superiore a quella esterna. Se al condotto
convergente segue uno divergente tale velocità può salire ancora divenendo
ipersonica mentre la pressione decresce (per l’equazione di continuità,
diminuendo la pressione, cioè la densità, pur aumentando la sezione in modo
meno progressivo, la velocità deve salire ulteriormente): se i condotti
sono ben dimensionati si può raggiungere una pressione finale uguale a quella
esterna.
Motore adiabatico
Per
evitare le perdite termiche soprattutto in fase di combustione si è fatta
molta ricerca sui “motori adiabatici” soprattutto Diesel (infatti nell’
Otto si andrebbe verso la detonazione). Però le altissime temperature raggiungibili
danneggerebbero i materiali o riscalderebbero troppo l’aria in aspirazione
con detrimento del rendimento volumetrico. |
