Rendimento Meccanico: Ridurre le perdite!

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Sul mantello di questo pistone (qui mostrato unitamente alla biella) é applicato un riporto a basso coefficiente d’attrito

Le perdite di energia meccanica lungo il percorso che dalle camere di combustione porta alla presa di moto, cioè alla frizione, sono dovute principalmente all’attrito tra gli organi mobili e quelli fissi (o comunque tra i componenti in movimento relativo) e, quindi, sono influenzate da fattori come l’estensione delle superfici di contatto, il regime di lubrificazione, le pressioni e le velocità in gioco. Nelle perdite per attrito vengono fatte rientrare quelle causate dagli organi “accessori”, come la pompa dell’olio e quella dell’acqua, e quelle dovute allo sbattimento, ossia alla vera e propria azione frenante esercitata dall’olio, o dalla fitta nebbia aria-lubrificante che deve essere letteralmente “tagliata” dalle bielle e dall’albero a gomiti durante il funzionamento del motore. Ad esse si aggiungono le perdite per pompaggio, causate dal lavoro passivo che viene svolto per effettuare l’immissione e l’espulsione del fluido di lavoro dal cilindro. L’entità di tutte queste perdite viene indicata dal rendimento meccanico del motore, costituito dal rapporto tra la potenza effettivamente disponibile a livello di frizione e quella “raccolta” dai pistoni. È quindi ovvio che quanto maggiori sono le perdite meccaniche, tanto minore è il rendimento, e che al diminuire di quest’ultimo aumenta il consumo specifico del motore: per inviare alla trasmissione un eguale numero di cavalli, nello stesso tempo di funzionamento, occorre bruciare una maggiore quantità di carburante!

Superfici e pressioni. In linea dei massima la maggior parte delle perdite meccaniche è causata dai pistoni e dai segmenti (40-48%), seguiti dai cuscinetti di banco e di biella (20-22%) e dal complesso della distribuzione (6-12%); il pompaggio e la “ventilazione interna” incidono per il 15-18% e lo sbattimento per il 5-6%. Questi valori, che si riferiscono a normali motori di serie, sono assolutamente indicativi (media tra più fonti) e suscettibili di variazioni anche considerevoli in funzione di fattori come il tipo di motore (e quindi il frazionamento, il rapporto corsa/alesaggio e il dimensionamento dei componenti), il regime di rotazione e il carico (apertura della valvola del gas o mandata gasolio). Una delle strade seguite dai tecnici per diminuire le perdite per attrito è quella della riduzione delle superfici di strisciamento. Si tratta però di un percorso difficile (e, oltre un certo punto, addirittura impraticabile). I pistoni hanno visto diminuire progressivamente l’estensione del loro mantello, tanto in altezza quanto in senso circonferenziale. Il mantello stesso, però, svolge una funzione essenziale, poiché provvede a guidare come opportuno il pistone all’interno del cilindro e a scaricare sulla parete della canna la componente trasversale generata dalla inclinazione della biella. Oltre un certo limite, per quanto riguarda il rapporto tra l’altezza e il diametro del pistone, all’atto pratico non si può scendere. Nei motori da competizione si raggiungono valori davvero esasperati (in quelli di Formula Uno si scende al di sotto di 0,35!), ma in tal caso questi organi meccanici, come gli altri del resto, vengono sostituiti con estrema frequenza; la loro vita utile infatti è dell’ordine di poche ore di funzionamento soltanto. Nei motori di serie le esigenze, in fatto di durata, sono ben diverse e pertanto occorre mantenere superfici di contatto di adeguata estensione. Il rapporto tra altezza e diametro dei pistoni è passato da 0,9-1,0, valore tipico negli anni Settanta, all’attuale 0,65-0,75, con forti sfiancature all’esterno delle portate per lo spinotto. Questo, grazie in larga misura all’impiego di evolutissimi programmi di calcolo, visualizzazione e simulazione al computer, che hanno consentito di realizzare pistoni il cui mantello, anche se meno esteso rispetto al passato, nelle condizioni di funzionamento “copia” meglio le pareti della canna del cilindro. Una riduzione delle superfici di strisciamento dà luogo anche a una diminuzione delle dimensioni complessive dei componenti e quindi della loro massa, il che è vantaggioso in quanto determina una riduzione dei carichi inerziali. La forza che si oppone al moto è direttamente legata al carico, e il coefficiente di proporzionalità è il coefficiente di attrito, che varia a seconda dei materiali a contatto. Ciò non vale in presenza di lubrificazione idrodinamica, ma questa all’interno del motore si instaura solo in corrispondenza delle bronzine. Pure il mantello del pistone e la parete del cilindro lavorano in regime idrodinamico, ma solo a debita distanza dai punti morti (in prossimità di questi ultimi la velocità del pistone stesso è troppo bassa). La resistenza al moto allora risulta fondamentalmente legata alla viscosità del fluido che separa le parti e alla estensione delle superfici.

Riporti a basso coefficiente d’attrito. Pure i segmenti hanno visto la loro altezza diminuire sensibilmente nel corso degli anni. Oggi, per quanto riguarda quello installato nella prima cava, può essere dell’ordine di 1,2-2,8 mm, mentre attorno alla metà degli anni Ottanta era di 1,8-3,5 mm. Ancora maggiore è stata la diminuzione del carico radiale che i segmenti esercitano contro la canna, in condizioni statiche; nello stesso arco di tempo infatti esso si è più che dimezzato. Importante inoltre è stato il contributo fornito dai durissimi riporti superficiali applicati sulle superfici di lavoro dei segmenti, che oggi hanno coefficienti di attrito estremamente bassi. Sul mantello dei pistoni invece è largamente impiegato un rivestimento costituito da una matrice di resina incorporante particelle di lubrificante solido. Per quanto riguarda la distribuzione, una importante riduzione delle perdite per attrito è stata ottenuta adottando bilancieri a dito muniti di rullo, invece che di pattino (si è così passati dall’attrito radente a quello volvente, che è notevolmente inferiore). Le masse mobili, inoltre, sono sensibilmente diminuite, grazie alla adozione di valvole con stelo di diametro minore, o cavo; inoltre, vengono spesso adottate molle del tipo che i tecnici chiamano beehive (parzialmente troncoconiche), con scodellini di inferiori dimensioni. In questo modo è stato possibile diminuire i carichi delle molle stesse, cosa vantaggiosa in quanto consente di ridurre l’assorbimento di potenza da parte del complesso della distribuzione.

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