Tech Zone

    Waterboost, iniezione d'acqua

    Waterboost: motore con iniezione d’acqua

    Ogni propulsore è dotato di un impianto di raffreddamento esterno, in grado di mantenere la temperatura del gruppo termico, costantemente, al di sotto di un certo limite; garantendo l’efficienza e la durata del motore stesso. E se venissero a coesistere due diversi sistemi di raffreddamento? Vale a dire, aggiungere al sistema “esterno” già noto, uno interno al motore? Parleremo quindi di “Waterboost”.

    e-automobile.ro

    • Nascita ed evoluzione:

    Il primo ad avere l’idea di iniettare acqua nel motore a combustione interna fu Pierre Hugon nel 1865, sul suo motore a gas. Egli notò numerosi benefici tra i quali: eliminati i difetti di accensione e di mantenimento costante del moto, diminuzione dell’usura dei componenti meccanici e maggior affidabilità dell’impianto.

    Questa tecnologia non riscosse successo. Successivamente venne adottata sui motori per gli aerei ad elica della seconda guerra mondiale tra cui:

    • il BMW 801;
    • il Daimler-Benz 605 con impianto MW 50;
    • Pratt & Whitney R-2800.

    In ambito”automotive“il sistema venne montato su:

    • Ford Escort Cosworth 4WD;
    • La vettura di Formula 1 Ferrari 126 C2 e C3.

    Fino a giungere al recente “Waterboost” progettato dalla Bosch per i motori a ciclo Otto (benzina) e montato sulla BMW M4 GTS.

    Principio fisico:

    Nei motori a combustione interna è il calore prodotto dalla reazione di combustione del carburante, a far espandere i gas all’interno del cilindro, generando potenza meccanica. Il limite principale di tale funzionamento sta nel fatto che molto calore, e quindi potenza, si perde con i gas di scarico.

    newatlas.com

    L’iniezione di acqua alla miscela (aria e benzina) consente quindi di disperdere una maggiore quantità di calore, grazie all’elevato valore di energia di vaporizzazione richiesta. I gas di scarico pertanto fluiscono dal cilindro a temperature notevolmente inferiori; grazie al fatto che l’acqua sottrae grande quantità di calore per evaporare.

    Non a caso la domanda che ci verrebbe spontaneo porre sarebbe: come può avvenire la combustione, quindi un’esplosione, somministrando dell’acqua?

    La risposta è evidente: non ci sono pericoli in quanto l’acqua, precedentemente alla reazione di combustione, viene fatta completamente evaporare aumentando notevolmente il proprio volume; ciò consente un abbassamento di temperatura dall’aria in aspirazione che nel suo moto per l’ingresso in cilindro vede la propria temperatura aumentare. Questo abbassamento di temperatura, aumenta la densità della carica in ingresso e a sua volta aumenta anche il quantitativo d’aria aspirabile. Tale aumento comporta un aumento complessivo della pressione nel cilindro quando le valvole si chiudono. Inutile dire come il rendimento volumetrico che quantifica il fenomeno di ricambio della carica nel motore, aumenti.

    Funzionamento:

    Il funzionamento è abbastanza intuitivo. Riportiamo qui in figura un impianto di iniezione d’acqua semplificato. L’acqua viene pompata e tramite un condotto raggiunge la valvola unidirezionale, la quale aprendosi fa convergere l’acqua sul condotto di aspirazione, in cui è già presente la miscela di carburante.

    web.tiscali.it

     

    Benefici:

    • Aumento del rapporto di compressione (quindi della potenza erogata), nonché un maggior riempimento di “carica fresca” nel cilindro.
    • Migliorato raffreddamento dei gas entranti, favorendo dispositivi energetici e meccanici come il turbocompressore;
    • Il sistema Waterboost consta di iniezioni di piccolissime quantità di acqua (generalmente poche centinaia di millilitri per ogni centinaio di chilometri) per cui il serbatoio di acqua distillata ha un’autonomia di 3000 km;
    • Migliore efficienza del motore;
    • Migliorata la vita del propulsore, diminuendo l’usura delle componenti (condotti e scarichi);
    • Diminuzione del fenomeno della detonazione, tipico dei motori a benzina;
    • Aumentata la durata dell’olio motore e delle candele di accensione;
    • Aumento dell’eco-sostenibilità: grazie alle minori temperature raggiunte, gli ossidi di azoto risultano notevolmente abbattuti;
    • Prezzi contenuti: Quanto mai potrà costare qualche litro di acqua?

    Infine, secondo la Bosch, quasi un quinto della benzina consumata dalle automobili viene completamente sprecata per “rinfrescare” i condotti di aspirazione, senza partecipare attivamente alla combustione. Per risolvere tale inconveniente, questa piccola quantità di benzina viene sostituita dall’acqua.

    Difetti:

    • Maggiore fumosità: un mezzo dotato di Waterboost emette molto fumo bianco allo scarico, a causa della consistente quantità di vapore acqueo presente;
    • Necessità di acqua distillata: non è possibile utilizzare semplice acqua di rubinetto, perché contiene sali;
    • Inefficacia degli attuali sistemi catalizzanti: la marmitta catalitica necessità di alte temperature per il suo corretto funzionamento; questo non avviene col sistema Waterboost;
    • Difficoltà di applicazione su veicoli datati: nelle auto più vecchie vi era il problema nella regolazione dell’anticipo e della carburazione; nei motori più moderni, la centralina elettronica di controllo (ECU) risolve questi problemi, limitando l’applicazione del Waterboost ai soli motori moderni.
    Fasatura variabile

    Fasatura variabile: descrizione e funzionamento

    L’espressione “fasatura variabile” (“Variable timing” in inglese) sta ad indicare la modalità con cui viene gestito il sistema di distribuzione, vale a dire, il regime di rotazione dell’albero a “camme” e quindi delle valvole di aspirazione e scarico.
    L’espressione chiave che sta alla base di quest’articolo è quindi “fasatura variabile”.
    Ma cosa significa “fasatura“?

    Fasatura (di distribuzione) è per definizione il “momento” ottimale in cui si realizzano l’apertura e la chiusura delle valvole di aspirazione e scarico, rispetto ad una posizione definita del pistone. La “fasatura”è ottenuta grazie alla sincronizzazione dell’albero a “camme” con l’albero motore, tramite componenti meccanici come ingranaggi, cinghie o catene. E’ proprio questa dipendenza dall’albero motore che limita l’efficienza della fasatura fissa e quindi del gruppo termico, costringendo i progettisti ad inventare un sistema variabile di distribuzione.

    hwupgrade.it

    Caratteristiche tecniche della fasatura:

    Cerchiamo di capire, innanzitutto, come funziona il sistema di distribuzione. La sua funzione principale è quella di garantire il corretto funzionamento delle quattro fasi del ciclo dei motori a 4 tempi e gestire i cosiddetti “incroci”. Gli “incroci”, come suggerisce il termine stesso, sono fasi in cui avviene la apertura/chiusura della valvola di aspirazione con la corrispettiva chiusura/apertura della valvola di scarico, in modo perfettamente combinato (ad incrocio). 

    La valvola di aspirazione permette introduzione di fluido (miscela aria-benzina per motori a ciclo Otto, solo aria per quelli a ciclo Diesel) nella camera di combustione del cilindro; avviene lo scoppio tramite la reazione chimica “esplosiva” ad alti valori di pressione (in base al rapporto volumetrico di compressione del motore) ed infine, i prodotti di tale reazione diventeranno gas combusti, i quali verranno espulsi dal cilindro tramite l’apertura della valvola di scarico. Le valvole sono azionate da uno o più alberi a camme, i quali sono collegati tramite ingranaggi, cinghie o catene all’albero motore, garantendo la completa sincronia di funzionamento.

    In parole povere, una valvola non può aprirsi o chiudersi in anticipo o in ritardo rispetto ad una posizione predefinita del pistone, causando danni o malfunzionamenti; al contrario, è tutto perfettamente sincronizzato in modo tale che le valvole vengano azionate al momento giusto. Il singolo o i più alberi a camme azionano le valvole per contatto diretto con dei profili ad eccentrico, chiamati appunto “camme“, calettati su un asse. Sul profilo della valvola vi è una “molla” che ha la funzione di richiamarla alla sua configurazione d’equilibrio (valvola chiusa).

    Angoli e profili:

    La fasatura di una valvola è definita da due valori: l’angolo di anticipo (o ritardo) di apertura rispetto al PMI (punto morto inferiore) e l’angolo di anticipo (o ritardo) di chiusura rispetto al PMS (punto morto superiore). L’angolo di anticipo è definito come il momento in cui la valvola termina la sua corsa fino a raggiungere la posizione di completa chiusura/apertura. Sono proprio i valori dell’angolo di anticipo a caratterizzare la fasatura di un motore, determinando gli istanti in cui la valvola inizia il suo moto di apertura (da completamente chiusa) o chiusura (da completamente aperta).

    La velocità della valvola durante il moto di apertura/chiusura dipende dal profilo della camma che la aziona: più “appuntito” sarà tale profilo, più veloce sarà la fase di apertura/chiusura della valvola; caso contrario, otterremo una velocità di fase inferiore (ciò non indica necessariamente inefficenza). Il profilo delle camme, opportunamente progettato, dovrà garantire la fase di incrocio, definita precedentemente, affinché avvenga l’effetto “risucchio” che i gas combusti in uscita (dal cilindro) esercitano sul fluido in ingresso, garantendo un maggior riempimento della camera di combustione, per unità di volume.

    Riportiamo in figura un diagramma di distribuzione per la fasatura.

    FF1.it

    Difetti della fasatura fissa:

    Dopo aver opportunamente definito le grandezze in gioco ed il funzionamento, cerchiamo di capire quali sono i limiti della fasatura fissa.

    Durante le fasi del ciclo si generano inefficienze dovute alle “perdite per laminazione“, ossia perdite che si verificano quando la valvola è parzialmente aperta, portando il fluido a risentire di una sorta di resistenza dovuta alla “strozzatura” (valvola semi-aperta nel condotto di aspirazione). Se le camme fossero appuntite si avrebbe un azionamento istantaneo delle valvole, facendo diminuire le perdite e garantendo una maggior potenza a parità di cilindrata; il tutto a scapito della resistenza del gruppo endotermico. Pertanto la fasatura di tipo fisso tende a definire il “carattere” del propulsore, limitando la “flessibilità” molto richiesta nel campo motoristico. Motori sportivi prediligeranno gli alti giri ed una fasatura molto spinta, con un elevato angolo di incrocio, guadagnando in potenza e perdendo in guidabilità e coppia ai regimi bassi. I motori più “turistici” risentiranno del problema opposto.
    Da tale limite si è passati alla fasatura variabile: scopriamone l’evoluzione.

    Fasatura variabile:

    Il sistema di fasatura varabile delle valvole è adottato ormai da tutte le case costruttrici sotto nomi e sigle differenti. La prima applicazione al mondo di tale sistema su un’automobile di serie è italiana e riguarda la casa automobilistica milanese Alfa Romeo, la quale montò tale innovativo sistema sulla Spider Duetto nel 1980. La variazione di fase era realizzata dallo spostamento assiale di un manicotto lungo l’albero a camme, che modificava così la sua rotazione.

    Soluzioni delle principali case costruttrici:

    Successivamente le principali case costruttrici si attivarono per la progettazione di un sistema analogo. La Honda brevettò il sistema VTEC (Variable Valve Timing e Lift Electronic Control) montandolo sulla Integra nel 1989. L’idea Honda era quella di gestire due diversi profili per il controllo delle valvole di aspirazione (2 per cilindro): uno per i regimi medio-bassi e l’altra per i regimi alti. Il sistema era comandato idraulicamente da tre camme e due bilancieri (complessivamente due esterni ed uno centrale) che si azionavano indipendentemente a seconda dei giri del motore: ai bassi regimi le valvole venivano azionate dai bilancieri esterni, mentre una camma dal profilo più pronunciato muoveva il bilanciere centrale oltre un certo numero di giri motore, aumentando la velocità di apertura della valvola e quindi la potenza erogata.

    La Honda grazie al sistema VTEC disponeva di due differenti tipi di fasatura variabile a seconda dei giri, garantendo una potenza specifica di 100 CV/litro. Il sistema risultava poco gestibile nel cambio di erogazione, pertanto fu superato con il LeitMotiv che garantì la variabilità della fasatura in modo continuo e non brusco come il VTEC. Nacquero così numerosi sistemi, citiamo solo i più importanti dal punto di vista innovativo: VVT (Variable Valve Timing) della Toyota, BMW iVanos, Valvetronic BMW, il VarioCam Porche fino al recente MultiAir Fiat. Ferrari introdusse alberi a camme con profilo variabile lungo la lunghezza del lobo, che traslavano assialmente per ottenere diagrammi di distribuzione differenti. Il passo fondamentale per la creazione di un sistema di variazione continuo ed efficiente fu la realizzazione dell’ampiezza variabile dell’alzata valvola. In altre parole, con questa soluzione il pedale del gas è in grado di controllare direttamente le valvole di aspirazione.

    In figura, il sistema VTEC.

    world.honda.com motociclismo.it

     

     

     

     

     

     

     

    BMW, col sistema Valvetronic (2001), interpone dei bilancieri tra la valvola e l’albero a camme, azionandoli con un motore elettrico. Il movimento dei bilancieri (comandati elettronicamente dalla centralina) permette di variare l’alzata delle valvole di aspirazione (2 per cilindro) in maniera assolutamente indipendente dal regime di rotazione e dal “carico” del motore. L’evoluzione del Valvetronic BMW è stato il sistema elettro-idraulico Fiat MultiAir, presentato nel 2009.

    Dagli innovativi sistemi elettro-idraulici si tende sempre più verso il CAMLESS (“senza camme” tradotto in italiano) per svincolare completamente la dipendenza delle camme nel sistema di distribuzione.

    • Il sistema MultiAir è strutturato con un tradizionale albero a camme lato scarico ed un’ulteriore camma meccanica che agisce su un solenoide on/off. Vi è del volume d’olio (componente idraulica del sistema) che viene movimentato per azionare le valvole di aspirazione. Se la valvola on/off è chiusa, l’olio si comporta come un corpo rigido e trasmette alle valvole la legge di alzata imposta dalla camma (vale a dire il sistema classico di funzionamento); quando la valvola on/off commuta, invece, l’olio defluisce nel serbatoio e la valvola stessa si chiude per effetto della forza di richiamo della molla. Questa valvola a solenoide garantisce diverse fasature a seconda del “carico” motore: agli alti regimi la valvola rimane sempre chiusa e l’apertura delle valvole è garantita dal profilo della camma meccanica; a basso regime, viceversa, si può ritardare l’apertura della valvole di aspirazione posticipando la chiusura della valvola on/off.

    Nuova fasatura variabileAddio albero a camme

    • Il sistema CAMLESS, come già accennato, si propone di eliminare il legame fisico che c’è tra albero motore ed albero a camme. Tale soluzione avviene col passaggio da un sistema elettro-idraulico ad un sistema elettromagnetico, in cui le valvole vengono azionate dalla forza esercitata da un campo magnetico variabile generato da solenoidi, gestiti a loro volta da una ECU (Electronic Control Unit). Tale sistema è in grado di ridurre gli alti consumi energetici a scapito della sicurezza: il malfunzionamento dei solenoidi potrebbe portare le valvole ad impattare il pistone. Il sistema elettro-magnetico è ancora un concept, che potrebbe in futuro diventare realtà.

    Il sistema CAMLESS più recente in commercio è stato progettato dalla Koenigsegg-Cargine Engineering: il sistema Free Valve Techology.

    teamimports.com

     

    Disattivazione cilindri

    Ford EcoBoost e la disattivazione dei cilindri

    Ford ha annunciato che nel 2018 sarà disponibile il nuovo motore Ford EcoBoost 1.0. La novità sarà la possibilità di disabilitare uno dei tre cilindri in soli 14 millisecondi: un tempo brevissimo se consideriamo le difficoltà che avevano i primi sistemi di disattivazione dei cilindri. La velocità del sistema permette di mantenere inalterato il confort di guida e contemporaneamente ridurre emissioni di anidride carbonica e incrementare l’efficienza del 6%.

    auto.it

    Un complesso software algoritmico regola la disattivazione del terzo cilindro monitorando costantemente i parametri necessari. Infatti in base a velocità, carico sul motore e intensità dell’accelerata è possibile stabilire il momento esatto in cui disabilitare o riattivare il sistema. In particolare le situazioni favorevoli per il risparmio dei consumi sono i tratti a velocità costante o che comunque non richiedono un’accelerazione di grande entità.

    Quando il motore non è ad alti regimi di coppia, il sistema interrompe l’afflusso di benzina alle camere di combustione e impedisce apertura e chiusura delle valvole. Viene aperta la valvola di un condotto da cui l’olio motore in pressione riesce ad attivare un bilanciere. Quest’ultimo disconnette il meccanismo di attivazione delle valvole del primo cilindro dall’albero a camme.

    Per non causare problemi di efficienza al momento della riattivazione, è previsto anche il mantenimento della temperatura all’interno del cilindro quando non viene utilizzato.

    Dato l’ingombro fisico del sistema elettromeccanico è stato necessario rivedere il design dell’albero a camme. Ora è a singolo blocco e assomiglia a quello del motore diesel Ford EcoBlue. Il nuovo motore prevede anche la progettazione di una catena di distribuzione e leveraggi valvole più adatti grazie ad avanzate tecnologie di stampaggio ad iniezione. Questo permetterà una maggiore resistenza, così come particolare attenzione viene riservata al confort.

    Infatti l’obiettivo è quello di assorbire le vibrazioni provocate dal funzionamento a due cilindri, che sono diverse rispetto a quelle del regime a tre cilindri, in particolare per coppie basse. Per questo motivo verranno impiegati dischi frizione ammortizzati e un volano bimassa. Sarà possibile anche tarare i componenti in base al modello di auto che monterà l’EcoBoost 1.0: boccole, supporti motore e alberi di trasmissione verranno adattati.

    Non ci resta che aspettare il 2018!

    Motore cilindri

    La disattivazione dei cilindri

    Il sistema di disattivazione dei cilindri permette di far funzionare il motore senza utilizzare tutta la cilindrata a disposizione. Questo è utile in situazioni che richiedono bassi regimi di coppia e lo scopo è quello di mantenere attivi meno cilindri ma a pieno carico, col vantaggio che il corpo farfallato viene mantenuto del tutto aperto. Infatti a bassi regimi viene impiegato solo il 30% della potenza massima e la valvola a farfalla è quasi chiusa: è necessario compiere lavoro per aspirare aria. L’inefficienza del motore in queste condizioni viene chiamata perdita di pompaggio.

    La disattivazione dei cilindri si può ottenere in modi diversi, più o meno convenienti. La soluzione più immediata è quella di bloccare del tutto il movimento dei pistoni interessati. Ciò permette di eliminare le perdite di rendimento dovute ai pistoni trascinati in movimento anche se non attivi. È però un metodo che presenta problemi meccanici dovuti alla difficoltà di realizzare un albero motore con parti che possano non ruotare. Le alternative più fattibili sono l’interruzione dell’alimentazione degli iniettori oppure la chiusura delle valvole di aspirazione e scarico. Quest’ultimo metodo preclude il passaggio della miscela aria-carburante verso le camere di combustione.

    kingauto.it

    L’antenato dei moderni sistemi di disattivazione dei cilindri risale alla fine del 1800 ed era montato su un motore monocilindrico. Funzionava grazie a un regolatore centrifugo che disabilitava il cilindro quando il motore si trovava sopra una certa velocità, lasciando aperta la valvola di scarico.

    Per l’impiego di questo sistema nella produzione in serie bisogna aspettare il Modulated Displacement della Cadillac, nel 1981. È noto anche come V-8-6-4 in quanto faceva operare il motore a 6 o a quattro cilindri con un notevole risparmio di combustibile. Una batteria di solenoidi poteva disattivare l’apertura delle valvole di scarico ma il processo inverso per tornare a 8 cilindri creava qualche problema. Infatti la lentezza dei computer di bordo di quegli anni non ha permesso al prodotto di avere il successo sperato.

    Nel 1982 è la volta della Mitsubishi, che propone la disattivazione dei cilindri Orion-MD. Il motore da 1,4 l e 4 cilindri sfruttava la disattivazione delle valvole di aspirazione e scarico del primo e del quarto cilindro interrompendo il sistema di distribuzione.

    Daimler-Chrysler nel 2004 adotta questa tecnologia sul motore HEMI V8 da 5,7 l, basata sempre sulla disattivazione delle valvole ma gestita tramite comando idraulico delle punterie. Ispirato a ciò è l’Active Fuel Management della General Motors, impiegato sul V8 da 5,3 l ad aste e bilancieri. In particolare viene disattivata la bancata di destra (1, 3 e 5 cilindro).

    Ancora più sofisticato è il sistema Variable Cylinder Management, sviluppato dalla Mitsubishi nel 2005 per motori V6 e nel 2008 per il 3,5 l I-VTEC. Per quest’ultimo sono possibili diverse configurazioni. Infatti il motore può lavorare con 6 cilindri, solo 4 o solo 3 bloccando l’intera bancata o un solo cilindro per lato.

    In tempi recentissimi la disattivazione dei cilindri è stata utilizzata da Mercedes, Volkswagen e Lamborghini. Quest’ultima lo impiega per il V12 della Aventador con il nome di Cylinder Deactivation System. La Ford infine ha appena annunciato di voler mettere in commercio nel 2018 il primo motore a tre cilindri di cui uno disattivabile.

    cambio manuale

    Il cambio di velocità: come funziona

    L’accelerazione di un mezzo avviene se, in ogni istante, la coppia prodotta dal motore supera quella resistente delle ruote, che dipende da fattori di carico, attrito e resistenza aerodinamica che sono variabili nel tempo. Per questo motivo non è conveniente collegare direttamente il motore ad un albero che muova le ruote: non è possibile trovare un rapporto di accoppiamento ottimale in ogni situazione.

    Nasce quindi il cambio di velocità: un dispositivo che permette di scegliere tra più rapporti di trasmissione del moto alle ruote e quindi di variare, a parità di giri del motore, i giri al minuto compiuti dalle ruote. È possibile demoltiplicare il rapporto di trasmissione (ridurre i giri delle ruote) in situazioni di carico o partenza che richiedono basse velocità e permettono al motore di muovere le ruote con poco sforzo. Mentre in condizioni più stabili ad alta velocità occorre meno potenza per muovere il veicolo che si trova già in movimento ed è quindi possibile diminuire la demoltiplicazione e avvicinare i giri delle ruote a quelli del motore.

    Il cambio è costituito da una scatola in alluminio contenente olio lubrificante e due alberi in acciaio: un albero primario che si infila nel mozzo del disco frizione per una estremità e un albero secondario che, uscendo dal cambio, si collega al resto della trasmissione. Sull’albero primario si trovano degli ingranaggi fissi che trasmettono il moto dalla frizione, mentre sull’albero secondario ci sono ingranaggi mobili che possono scorrere per calettarsi con quelli dell’albero primario. L’accoppiamento tra due ingranaggi si chiama marcia o rapporto.

    Nei primi modelli di cambio, detti non sincronizzati, l’innesto era comandato da leve provviste di una forcella che si infilava lateralmente nell’ingranaggio, dove si trovava il selettore, un anello sagomato in modo da lasciarsi circondare dai denti della forcella. La leva azionata agiva in modo da spostare l’ingranaggio sull’albero secondario fino ad accoppiarlo con quello sull’albero primario. Gli ingranaggi presentavano denti dritti e il meccanismo di cambiata era azionato dalla leva del cambio, era anche possibile non calettare nessun ingranaggio e lasciare l’auto in folle.

    autoconfronti.net

    Il problema principale di questo sistema è che, se al momento della cambiata, il numero di giri dell’albero primario differisce da quello dell’albero secondario l’ingranaggio mobile fatica ad ingranare e il cambio gratta provocando alla lunga usura. Per questo motivo nasce il moderno cambio sincronizzato, adottato per la prima volta dalla Cadillac nel 1929. In questo modello gli ingranaggi dell’albero secondario sono montati su cuscinetti e calettati in modo permanente in quelli dell’albero primario, ma se non vengono utilizzati girano a vuoto come se il cambio fosse in folle e non trasmettono moto all’albero. Gli ingranaggi sono a denti elicoidali per ridurre la rumorosità e renderne più stabile la rotazione. Ogni rapporto viene ingranato tramite un sincronizzatore in bronzo o lega di acciaio: esso è formato da due anelli concentrici montati sull’albero secondario, il più esterno dei quali si chiama manicotto d’innesto e prevede un settore dentato laterale che ingrana in un altro settore dentato sul lato dell’ingranaggio corrispondente. L’anello esterno del sincronizzatore è calettato nell’anello interno, che a sua volta è calettato nell’albero secondario in modo da far scorrere il dispositivo assialmente.

    Il sincronizzatore viene azionato da una forcella che comanda due marce, quindi viene usato un meccanismo unico per due ingranaggi. La forcella, al momento di inserire la marcia, aggancia l’anello esterno e avvicina il sincronizzatore all’ingranaggio per far compenetrare i settori dentati: il moto si trasmette per attrito dal sincronizzatore all’ingranaggio.

    Un discorso a parte va fatto sulla retromarcia, solitamente realizzata ad una sola velocità e molto bassa per ragioni di sicurezza. Tra i due ingranaggi responsabili della demoltiplicazione ne viene inserito un terzo per invertire la direzione di movimento ed essi vengono congiunti solo al momento di inserire la marcia tramite un pignone avvicinato da apposita leva. La retromarcia normalmente non è un rapporto sincronizzato perché la si ingrana a veicolo fermo e non è necessario un sincronizzatore: per questo motivo se inserita in movimento fa grattare il cambio. Inoltre i denti degli ingranaggi sono dritti come nei vecchi cambi e per questo motivo quando si procede a marcia indietro si sente un rumore diverso e più forte.

    Il cambio permette di sfruttare pienamente le caratteristiche del veicolo anche per quanto riguarda l’alimentazione: i rapporti di un veicolo diesel ad esempio tendono ad essere allungati perché i suddetti motori girano a regimi massimi più bassi di quelli a benzina. In linea teorica, più rapporti ci sono più è facile sfruttare le caratteristiche del motore, ma va anche specificato che un cambio a elevato numero di rapporti è molto costoso, ingombrante e pesante: bisogna trovare il giusto compromesso tra prestazioni, costo e fruibilità.

    Infine esistono diverse tipologie di cambio: manuale, semiautomatico o automatico.

    volano bimassa sezione

    Il volano bimassa: descrizione e funzionamento

    Il volano è un disco di acciaio che collega la frizione e l’albero motore, con lo scopo di trasmettere e regolarizzare la rotazione di quest’ultimo e consentire l’accoppiamento con la frizione. Il volano accumula la coppia in eccesso durante le fasi attive del motore (combustione/espansione) e la rilascia durante quelle passive, in modo da regolarizzare il funzionamento del motore. Inoltre sulla circonferenza del volano è presente una corona dentata su cui ingrana il pignone del motorino di avviamento.

    Fino agli anni ’90, il volano è costituito da un unico disco di metallo pieno e il disco frizione è dotato di molle al suo interno in modo da assorbire le vibrazioni eccessive.

    Con l’avvento di veicoli capaci di sviluppare coppie molto elevate (ad esempio i turbo-diesel common rail) si è reso necessario scomporre il volano in due parti poiché le vibrazioni, se scaricate sulla frizione, avrebbero portato alla rottura del disco. Questo in particolare sollevando di colpo la frizione a veicolo fermo e con motore a regime di coppia massima.

    wroar.net

    Nasce così il volano bimassa: una parte di esso avvitata alla flangia dell’albero motore (volano primario) e l’altra (volano secondario) su cui preme il disco frizione. Le due parti sono collegate da un piatto girevole che mantiene fissa la loro distanza e consente una rotazione fino a 60° l’una rispetto all’altra. Sul volano secondario sono posti dei denti che entrano in apposite cave ricavate sul volano primario in modo da trasmettere il moto dalla prima alla seconda parte del meccanismo: tra ogni dente e lato della cava viene posta una robusta molla curva che evita gli urti al collegamento con la trasmissione e attutisce i movimenti.

    Il compito di smorzatore passa quindi dal disco frizione al volano bimassa permettendo una notevole riduzione delle vibrazioni e aumentando il confort di guida.

    La diminuzione delle masse dovuta alla scomposizione del volano consente anche di limitare la risonanza meccanica del sistema di trasmissione abbassandola al di sotto del regime minimo di giri del motore (intorno ai 200/250 giri al minuto). Questo grazie al comportamento elastico delle molle che compensa l’inerzia della massa.

    I vantaggi del volano bimassa sono quindi il maggiore confort di guida dato dalla diminuzione delle vibrazioni e dallo spostamento della frequenza di risonanza, mentre gli svantaggi comprendono principalmente il costo elevato e la maggiore delicatezza del sistema che tende a rompersi con più frequenza.

    compressore volumetrico dodge charger

    La sovralimentazione: Cos’è e cosa implica?

    La sovralimentazione di un motore endotermico è l’introduzione della carica (miscela di combustibile-comburente), compressa esternamente ai cilindri, con lo scopo di aumentarne la quantità elaborata.

    Dal libro G.Ferrari, Motori a combustione interna:

    “Si definisce sovralimentazione l’operazione mediante la quale si precomprime l’intera (od una parte della) carica fresca al di fuori del cilindro di lavoro, con lo scopo di aumentare la massa di aria o miscela che un motore riesce ad aspirare per ogni ciclo”

    Nei motori a combustione interna la quantità di combustibile ed aria che viene introdotta nei cilindri è limitata, infatti negli aspirati è con il movimento del pistone che si permette l’ingresso della miscela; per superar questo, si utilizza la pratica della sovralimentazione che immette la carica nei cilindri ad una pressione superiore a quella atmosferica, aumenta la sua densità e ciò consente di bruciare una maggiore quantità di combustibile, ottenere un incremento della potenza specifica ed un miglioramento del rapporto peso/potenza di un dato motore.

    Correliamo il grado di sovralimentazione alla portata d’aria elaborata dal motore per capire da dove si origina l’aumento di potenza nei motori sovralimentati.                                   La portata d’aria in ingresso al condotto d’aspirazione risulta direttamente proporzionale alla pressione a monte del condotto (Po) ed inversamente proporzionale (sotto radice) alla temperatura(To) a monte dello stesso.                                                           Aumentando Po e non eccessivamente la To la portata d’aria aumenterà e quindi aumenterà di conseguenza la potenza; più efficiente sarà il sistema di compressione e più bassa sarà la temperatura a pari pressione finale.                                                             Osserviamo la seguente relazione tra la portata massica di un motore aspirato e di uno sovralimentato che rappresenta quindi una relazione tra le potenze:

    Siano PR il pressure ratio(P2/P1:pressione alla fine della compressione/pressione inizio compressione),  il rendimento del compressore, K il rapporto tra cp e cv; al diminuire di cala il rapporto tra le due portate e quindi si riduce l’efficacia della sovralimentazione. Utilizzando un intercooler (uno scambiatore di calore che serve ad abbassare la temperatura della carica compressa) aumenta l’efficienza della sovralimentazione ed ho una minore produzione di NOx che dipende dai picchi di temperatura in camera.

    I sistemi di sovralimentazione più diffusi in campo automotive sono la:

    Sovralimentazione meccanica(volumetrica):

    Il motore ed il compressore sono collegati mediante un dispositivo come una cinghia, una serie d’ingranaggi o un motore elettrico; solitamente si utilizza un compressore volumetrico che ad ogni giro del motore elabora un volume fisso d’aria.                                               Il compressore non determina la pressione di sovralimentazione ma la subisce, poiché essa dipende dal rapporto di trasmissione(tra motore e compressore), dalla cilindrata del compressore e del motore ed è quindi dettata dalle condizioni del sistema.

    Compressore Roots, motorimania.net

    Sovralimentazione con turbocompressore:

    larapedia.com

    La sovralimentazione avviene mediante un turbogruppo costituito da una turbina ed un compressore montati sullo stesso asse; in turbina espando i gas di scarico producendo lavoro per azionare il compressore, esso, trascinato in rotazione dalla turbina, comprime l’aria e la immette nel collettore d’aspirazione, fornendo ai cilindri una quantità d’aria maggiore di quanta ne potrebbero aspirare.

    Sovralimentazione Turbomeccanica:

    Si utilizza un compressore volumetrico collegato al motore ed uno centrifugo trascinato dalla turbina, quindi è una soluzione mista tra le due precedenti.

    Sovralimentazione Turbocompound:

    Questo sistema è costituito da un turbocompressore ed una seconda turbina collegata all’albero motore; i gas di scarico si espandono in quest’ultima e restituiscono energia al motore. Tale turbina essendo accoppiata al motore deve avere una velocità di rotazione moderata e quindi per generare lavoro, deve essere di maggiori dimensioni.

    La sovralimentazione influenza oltre all’intera architettura del motore anche i suoi rendimenti:

    Rendimento organico (ci dice quanto è il peso relativo agli attriti,ηo):

    In seguito alla sovralimentazione con turbocompressore si ha un aumento di pressione nei cilindri, ciò implica maggiori sollecitazioni sul manovellismo di spinta e un incremento dell’fmep(pressione media di attrito); crescendo però notevolmente l’imep(pressione media indicata), l’fmep assume un peso relativo minore e quindi aumenta il rendimento organico(perché espresso come :ηo = 1-fmep/imep ).

    Rendimento di ciclo indicato(ηci) e rendimento termodinamico(ηth):

    Il primo tiene conto della non idealità del ciclo termodinamico, il secondo, rappresenta il rendimento con cui il motore sfrutta il calore prodotto attraverso un ciclo termodinamico considerato perfetto.                                                                                                 Con la sovralimentazione si ottengono maggiori temperature nella camera di combustione, ciò aumenta il rischio di detonazione nei motori ad accensione comandata, le sollecitazioni sui componenti e perciò non posso aumentare pressione e temperatura a dismisura; passando da un motore aspirato ad uno sovralimentato per non incorrere nei fenomeni prima citati, si riduce il rapporto di compressione(=> <ηth ) e anticipo accensione (=> <ηci) ottenendo una riduzione di pressione e temperatura massime in camera, perciò il prodotto tra i due rendimenti cala.

    Rendimento di pompaggio(ηp):

    Ci indica quanto è efficiente il motore nel ricambio della carica; maggiore è l’energia spesa nel pompaggio, minore è il rendimento di pompaggio.                                                       Se con la sovralimentazione riesco ad ottenere che il valore medio della pressione della carica aspirata sia maggiore di quello della pressione allo scarico, è la pressione in aspirazione che compie lavoro sul pistone e si fornisce lavoro positivo nel pompaggio.   Nella sovralimentazione volumetrica questo si ottiene più facilmente(rispetto alla sovralimentazione con turbogruppo) poiché non ho nessuna ostruzione allo scarico costituita dalla turbina; con il turbocompressore posso avere il rendimento di pompaggio > 1 per alcuni regimi, mentre in altri, dove la turbina costituisce una sorta di “tappo”, la contropressione allo scarico cresce notevolmente e crolla ηp.

    Rendimento di combustione(è un’indicazione sull’efficienza della combustione,ηc):

    Aumentando la pressione di aspirazione, aumenta la velocità d’ingresso dell’aria in camera e quindi aumenta la turbolenza(=> >ηc); nei motori ad accensione spontanea aumentando la massa d’aria elaborata posso utilizzare dosature più magre e ridurre la fumosità; nei benzina per abbassare le temperature alte dovute alla sovralimentazione, uso miscele molto ricche e ηc crolla perché parte del combustibile non viene usato per la combustione.

    Rendimento di adiabaticità:

    È indicato come il rapporto tra il calore(Qth) ottenuto in una trasformazione ideale fratto quello ottenuto dalla combustione reale.                                                                     Nella sovralimentazione diminuendo il calore perso per trasferimento alle pareti del motore, aumenta il numeratore del rendimento e quindi esso stesso aumenta.

    Abbiamo visto come la sovralimentazione abbia innumerevoli effetti sulle componenti di un motore, quindi la sua utilizzazione necessita una profonda conoscenza fluidodinamica e strutturale del problema ed anche un’ elevata padronanza nella gestione e controllo dei sistemi che garantiscono tale pratica, perciò non può essere affidata a tecnici poco esperti.

    Disco della frizione

    La Frizione: cos’è e a cosa serve?

    In un motore a combustione interna la spinta viene fornita solo al di sopra di un certo regime di rotazione (di minimo funzionamento), in cui il motore produce energia sufficiente solo al suo sostentamento; nasce quindi la necessità d’interporre un organo che provveda ad interrompere la trasmissione del moto tra propulsore e ruote, per consentire di fermare un veicolo senza dover arrestare il propulsore (per poi riavviarlo alla partenza) e che consenta un trasferimento della coppia in modo graduale.

    La frizione, connettendo due alberi che ruotano a velocità diversa, permette la trasmissione del moto rotatorio (figura C) avvalendosi dell’attrito (la “frizione” tra dischi appunto, da cui ne deriva il nome) e il suo innesto o disinnesto sono realizzati per via meccanica, idraulica, pneumatica o elettrica.

    Nell’automobile, la frizione è inserita nella trasmissione tra il motore ed il cambio, permette il momentaneo disinserimento della coppia motrice consentendo la selezione di un opportuno rapporto del cambio (figura A) e disconnette le ruote dal motore quando il veicolo non è in moto, mantenendo in rotazione l’albero motore; senza la frizione non si riuscirebbe a trasmettere in maniera graduale la coppia generata dal propulsore alle ruote, quindi è una sorta di collegamento tra motore e ruote.

    autoscuolavalchiampo.it

    La frizione risulta, in maniera semplificata, costituita dal volano (collegato ad una estremità dell’albero motore e ruota solidale con esso) e dal disco della frizione (che si posiziona tra volano e spingidisco); entrambi realizzati in un materiale che garantisce un’elevata forza d’attrito superficiale e lo spingidisco che preme il disco della frizione sul volano.

    autoscuolavalchiampo.it

    Le frizioni possono essere a secco, se collocate in un ambiente isolato o in parte esposto all’aria (riducendo così le perdite energetiche derivanti dall’attrito viscoso e dal movimento dell’olio) o a bagno d’olio, se l’elemento di attrito è posizionato in un fluido refrigerante e lubrificante (per migliorarne durata e resistenza alle sollecitazioni).

    Le frizioni più utilizzate in ambito automobilistico sono quelle a disco.

    FRIZIONI A DISCO

    La coppia generata dal motore viene trasmessa al cambio sfruttando l’attrito che si sviluppa tra due (o più, nel caso di frizioni multidisco) superfici, una solidale all’albero motore e l’altra all’albero d’ingresso del cambio, premute tra loro mediante molle. Il disco della frizione è posizionato tra il volano (collegato a sua volta con il motore mediante l’albero a gomiti) e lo spingidisco, ed è accoppiato all’albero primario del cambio.

    pneurama.com

    Premendo il pedale della frizione, si spinge il cuscinetto reggispinta sulle alette della molla a diaframma dello spingidisco che spostano indietro il disco dello spingidisco. Lo spingidisco, essendo collegato al volano, è in rotazione (quando il propulsore è in funzione), ma la frizione in questo momento non fa più attrito sullo spingidisco e rallenta, scollegando così il cambio dal motore e permettendo l’innesto della marcia (in questa fase l’albero motore e l’albero condotto del cambio sono scollegati). Rilasciando il pedale, si riottiene il contatto: per l’attrito che si genera tra le diverse superfici si giunge alla stessa velocità di rotazione e si trasmette un momento angolare dal motore al cambio.

    autoscuolavalchiampo.it

    Il momento trasmissibile dalla frizione si ottiene dalla seguente formula (semplificata):

    Mf = rm*Fm*f  , con rm: raggio medio della corona circolare di contatto, Fm: il precarico della molla, f: il coefficiente di attrito tra i dischi di frizione.

    Se si utilizzano più dischi di frizione si ottiene quella che viene definita frizione multidisco che funziona come la precedente, ma avendo aumentato il numero delle superfici di contatto consente di trasmettere un momento maggiore.

    La frizione risulta di fondamentale importanza per la trasmissione del moto dal propulsore alle ruote: oggi si presenta complessa ed articolata e si trova in innumerevoli conformazioni. È un esempio di come l’attrito usato in maniera ingegnosa, non sia sempre una cosa negativa, bensì di fondamentale importanza.


    Vuoi leggere i nostri articoli senza pubblicità?

    Sostieni il nostro progetto e avrai la possibilità di: