I limiti da non superare | Officina

Probabilmente a diversi appassionati di motori è capitato di chiedersi quali possono essere i “fattori limitanti”, ovvero quali siano le sollecitazioni meccaniche o termiche (ossia derivanti da velocità, accelerazioni, pressioni, temperature, eccetera) che non devono venire superate per non mettere in crisi l’integrità dei componenti, o abbreviare drasticamente la loro vita utile.

Valvole a fungo, mostri di efficienza | Officina

Due tempi, meglio non esagerare

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O anche per non incappare in problemi funzionali o prestazionali (è ad esempio il caso della velocità media teorica dei gas nei condotti). Insomma, se per lungo tempo i motori a quattro tempi da competizione non hanno superato certe velocità di rotazione, da cosa dipendeva? Dalla distribuzione, con le molle che da un certo regime in poi non ce la facevano più, o dal manovellismo (velocità dei pistoni eccessiva? bronzine troppo sollecitate?). Ricordo di essermi posto questo quesito in più occasioni, in gioventù. Una volta entrato nell’ambiente, anni dopo, feci la domanda a un noto tecnico. Rispose “Tutte e due”. Non fui soddisfatto.

Per raggiungere regimi più elevati senza variare la cilindrata unitaria nel tempo si sono diminuite progressivamente le corse, aumentando gli alesaggi. A un certo punto sono arrivate le bielle in titanio, nettamente più leggere di quelle in acciaio, ma non è che le velocità di rotazione siano aumentate in misura significativa. A far cambiare profondamente la situazione sono state le molle pneumatiche. Dopo la loro entrata in scena, con le stesse dimensioni dei cilindri e con gli stessi rapporti corsa/alesaggio (C/D), le velocità di rotazione sono rapidamente aumentate in misura sensibile, e con loro le potenze. Dunque il fattore limitante era la distribuzione.

 Non si deve dimenticare qui che lo sviluppo dei 4T da competizione per molti anni è stato legato al settore automobilistico, al quale quindi si è qui fatto quasi sempre riferimento. Nei GP motociclistici infatti si è corso a lungo soltanto con motori a due tempi. Come tutti sappiamo, grazie al regolamento, negli anni Duemila la situazione è cambiata.

Per I 2T la situazione è diversa. Non girano forte come i quattro tempi per più di una ragione. Tanto per cominciare le misure caratteristiche sono sempre quadre o quasi. Per intenderci, in un monocilindrico di 125 cm3 sono invariabilmente 54 x 54 mm o 56 x 50 mm. Nei motori a quattro tempi la respirazione avviene attraverso condotti piazzati nella testa e alesaggi più grandi consentono di impiegare valvole di diametro maggiore. Nei 2T invece i gas freschi entrano nel cilindro attraverso le luci di travaso, che sono praticate nelle pareti del cilindro stesso. Dunque, nei due tempi non conviene impiegare rapporti C/D bassi e di conseguenza, non potendo impiegare corse molto ridotte, non si possono raggiungere regimi di rotazione particolarmente elevati perché la velocità media del pistone sarebbe troppo alta.

A 12.000 giri/min in un 2T con una corsa di 54 mm il pistone viaggia a 21,6 metri al secondo mentre allo stesso regime quello di una MotoGP (corsa = 48,4 mm) viaggia a 19,3 m/s. La differenza non è grande ma il confronto va fatto meglio tra due cilindri di eguali dimensioni. Nel 2T quadro (54 x 54 mm) a 14.000 giri/min, la velocità media del pistone è 25,2 m/s mentre in un 125 a quattro tempi avente lo stesso rapporto C/D delle attuali MotoGP (0,598) si arriva appena sopra 15 m/s. La differenza diventa sostanziosa! Il regime di rotazione dei due tempi da competizione però non è tanto limitato da ragioni meccaniche quanto dalla respirazione. Si deve infatti considerare che mentre nei 4T i condotti di aspirazione sono pressoché rettilinei, nei 2T i gas freschi devono compiere un percorso a dir poco tortuoso, oltre che lungo. Inoltre il tempo a disposizione per lo svolgimento delle singole fasi è notevolmente minore. Pure i cuscinetti di biella, che per forza di cose devono essere a rotolamento, arrivati a un certo regime cominciano a mostrare la corda…

Tornando ai soli motori a quattro tempi, con il passare degli anni la velocità media dei pistoni è via via aumentata ma da un po’ di tempo a questa parte questo incremento sembra essersi pressoché arrestato. La ragione è di ordine fluidodinamico: se non cambiano le dimensioni delle valvole, al di sopra di una data velocità il motore va in crisi respiratoria. E per aumentare il diametro delle valvole (e quindi le sezioni di passaggio a disposizione dei gas) è necessario incrementare l’alesaggio, ovvero diminuire il rapporto C/D, ferma restando la cilindrata unitaria. Questo non è possibile nei motori delle MotoGP dato che l’alesaggio è limitato dal regolamento.

I motori di serie

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Per i motori di serie la situazione non è tanto differente. I motori a V appaiono avvantaggiati dato il loro minore ingombro trasversale, ma più di tanto non si può o non conviene fare, in questa direzione. Con riferimento ai quadricilindrici di 750 – 1000 cm3 , l’accelerazione dei pistoni tra gli anni Settanta e gli anni Duemila è passata da 27-29.000 m/s2 a 58.000 – 65.000 m/s2 (nelle odierne supersportive). Nei motori delle Formula Uno dei primi anni Duemila si è arrivati ad accelerazioni 10.000 volte superiori a quella di gravità.

Le MotoGP sono ormai su valori non distanti e vengono seguite a ruota dalle Superbike. In passato anche i segmenti sono stati un fattore limitante per il raggiungimento di regimi sempre più elevati. Era particolarmente temuto il cosiddetto “battito” del segmento nella cava (più noto tra gli addetti ai lavori come flutter). Quando si verificava, ad alto regime, il segmento si muoveva in maniera incontrollata con alta frequenza tra le superfici superiore e inferiore della cava. Un poco come fa la pallina da ping pong quando si arrestano i suoi rimbalzi abbassando la racchetta fino a portarla assai vicina al piano del tavolo. Questo causava una perdita di tenuta con elevato blowby (trafilamento gassoso) tra pistone e cilindro.

Tolleranze più ristrette, un miglior controllo dei giochi e una riduzione della altezza dei segmenti hanno risolto il problema.

Nei componenti, la perfezione non esiste | Officina