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In questo approfondimento verranno trattate le scelte motoristiche basate sulla cilindrata a disposizione del propulsore. Nel corso degli anni abbiamo notato come la cilindrata nei propulsori tradizionali, è andata via via decrescendo: Downsizing. Nel momento in cui abbiamo quindi motori a bassa cilindrata ad esempio Vd(cm³)< 1.0L, conviene un motore Diesel, sovralimentato, dato che generalmente ha un consumo specifico inferiore? Il ragionamento non è così immediato e vedremo come, per una serie di esigenze di combustione, è praticamente impossibile pensare di realizzare motori con un ciclo di funzionamento ben preciso, indipendentemente dalla cilindrata.
Quali sono le esigenze costruttive? Ma soprattutto, quali sono le differenze pratiche tra i due cicli di funzionamento? Le differenze sono molteplici, analizziamone alcune.
In questo caso, un motore con tale cilindrata dovrà necessariamente essere un motore ad accensione comandata (Benzina), in quanto, può girare a numeri di giri molto più elevati rispetto a un motore Diesel, limitato dall’esigenza di combustione pulita, omogenea e con eccesso d’aria. La turbolenza, fondamentale per i moti interni di ingresso in camera di combustione, è proporzionale al numero di giri del motore, attraverso l’espressione della velocità media del pistone, che richiama in camera (a valvole di aspirazione aperte) aria fresca per depressione.
Maggiore è tale velocità, maggiore sarà l’influenza del tumble, vale a dire la turbolenza prevalente nei motori benzina. Maggior turbolenza, implica maggior velocità di propagazione del fronte di fiamma, vale a dire quella superficie immaginaria, teoricamente pensata come divisorio tra residui intrappolati dal ciclo di funzionamento precedente (i-1)-esimo e la carica fresca iniettata al ciclo i-esimo.
Ciò consente una velocità di combustione, o meglio dire una durata per completare interamente la fase di combustione, decisamente inferiore. Ottimo, in quanto un motore a bassa cilindrata, con tutta quella turbolenza, può adattarsi a livello di ciclo di funzionamento alla velocità di regime richiesta. L’altra esigenza per il motore benzina è quindi avere una combustione rapida ed evitare che per la sua “lentezza”, la miscela si autoaccenda prima che il fronte di fiamma, raggiunga effettivamente la miscela stessa. I picchi generati, provocano sollecitazioni sul manovellismo non trascurabili, molto importanti e pericolose. Da evitare assolutamente!
Con numero di giri inferiori, per avere stessa potenza con un propulsore di piccola cilindrata, dovrei aumentare la pressione di iniezione, ma ciò comporterebbe un rilascio molto violento di calore e tanta sollecitazione pericolosa. Inoltre, il motore Diesel lavora con eccesso d’aria cioè una dosatura molto magra (più aria che gasolio), non posso aumentare troppo il combustibile iniettato (dovuto al fatto che sto iniettando a pressioni maggiori) rispetto al quantitativo d’aria aspirabile dallo stesso, ecco perché fondamentale è la presenza del turbogruppo per un motore ad accensione spontanea.
Potrei aumentare il combustibile, il problema sarebbe che a differenza del benzina che è in grado di assorbire molto combustibile e farlo scoppiare tutto (o quasi tutto, per via di incompletezze della reazione); il motore Diesel no. Riesce a bruciare solo ciò che è in rapporto stechiometrico con l’aria, o quasi; ma senza discostarsi troppo dal valore di dosatura. Tant’è che il rapporto aria/combustibile per i benzina è pressoché costante nella regolazione di potenza. Nei motori ad accensione spontanea no, il valore di combustibile varierà, ma con esso non avrò una proporzionale variazione di portata d’aria.
Nei prossimi approfondimenti, valuterò le conseguenze di questa differenza sostanziale.
In conclusione, è possibile sovralimentare per aumentare la potenza estraibile all’albero e raggiungere Tmax maggiori, tuttavia, senza accorgimenti pratici questo, in un motore Benzina può essere la fine. Nei Diesel no. Perché? Posso sovralimentare all’infinito, non avrei mai problemi di detonazione come nei Benzina, la motivazione sta nel fatto che ho una combustione differente; nel motore Diesel inietto solo nel momento in cui ho raggiunto una temperatura di autoaccensione per l’aria, e come inietto brucia tutta la miscela. Non ho un effettivo fronte di fiamma o picchi di temperatura in camera che possono portare la miscela in fase di compressione ad autoaccendersi prematuramente.
In questo caso, con cilindrate elevate, avrò un alesaggio molto più grande. Quì entra in crisi il motore Benzina, in quanto maggiore è l’alesaggio, maggiore sarà la difficoltà di gestione dell’autoaccensione. La distanza da dover percorrere per il fronte di fiamma per far avvenire la combustione in modo corretto, è più estesa in senso radiale, non longitudinale. La probabilità di avere picchi di temperatura in camera è maggiore, perché la camera sarà ovviamente più grande: è tutta una questione teorica e statistica.
Con cilindrate maggiori, avrò necessariamente anche corsa maggiore, definita come distanza tra punto morto superiore e punto morto inferiore. Proporzionale ad essa è la velocità media Up del pistone: Ma è ovvio, più corsa ho, più, integrando sul tempo, avrò istanti a velocità non nulla, tipico dei punti morti. E’ vero che nei Diesel sovralimentati posso aumentare molto la pressione e di conseguenza la Pmax nel ciclo di funzionamento, tuttavia non è proprio così, avrò comunque un limite superiore su Up, in quanto il motore termico è sorretto da un manovellismo meccanico e non può andare più veloce di un certo limite.
Pertanto avendo a disposizione rapporti di compressione maggiori e corse maggiori, avrò anche un rendimento termico ideale maggiore (è direttamente proporzionale). Maggior resa termica indica, minor consumo specifico e nel caso di propulsione navale, di certo questo non fa mai male. Risparmiare qualche g/kWh per un motore Diesel aspirato 3.0 L ha un suo perché, ma risparmiarne in proporzione per un motore navale può significare ridurre i consumi e quindi i costi di migliaia di euro.
Inoltre la detonazione su motori a cilindrata maggiore è sempre un rischio, come abbiamo precedentemente notato, lo eviteremo.
Ecco perché per grosse cilindrate il Diesel domina la scena.
Se vi state chiedendo cosa ci fanno i motori 3.0 L Benzina, sovralimentati sui listini d’auto, la risposta è che essenzialmente la cilindrata è comunque ridotta per la potenza in grado di fornire. Inoltre, specie su queste cilindrate per contenere rischi e garantire maggiori potenze estraibili, si lavora molto di frazionamento dei cilindri in modo da avere complessivamente cilindrate medio-alte, ma alesaggi contenuti. Non a caso, giusto per fare un esempio il premio miglior motore dell’anno 2018, Ferrari V8 ha ben 8 cilindri a V e una cilindrata di 3,9L.
In un prossimo approfondimento chiariremo perché parlare di frazionamento dei cilindri e chi tra le varie case costruttrici presenti sul mercato, ne è padrona da anni nel mondo delle competizioni.
