Dallo sviluppo dei primi motori a combustione interna si sono susseguite diverse tipologie di configurazione, tutte volte a migliorare le prestazioni tenendo sempre sott’occhio i costi e gli ingombri.

Vediamo meglio cosa significano queste lettere e numeri: nei motori a V la lettera “V” rappresenta proprio la configurazione con cui i blocchi dei cilindri sono tra di loro separati. Questi formano uno specifico angolo con il piano di mezzeria passante per l’asse dell’albero motore, pari alla metà dell’angolo formato da cilindri opposti.

Configurazione di un motore a combustione interna, configurazione a V
PH: wikipedia.it

L’angolo tra i cilindri può assumere valori più o meno accentuati, ma una configurazione particolare è quella a 90° che prende il nome di motore a “L”.

Configurazione di un motore a combustione interna, configurazione a V, V6
PH: wikiwand.com

Come forse si è già intuito dalle raffigurazioni precedenti, il numero indica la quantità di cilindri presenti, equamente distribuiti tra le due bancate del motore. Nella quasi totalità di applicazioni motoristiche si usano configurazioni con un numero pari di cilindri per garantire una miglior simmetria; fanno però eccezione alcune configurazioni V5 dove si ha una bancata da tre cilindri e una da due, sconveniente dal momento che non si riesce ad avere regolarità di funzionamento tra le varie fasi.

 

Fasi del motore 4T

Ripassiamo velocemente le fasi del motore benzina a quattro tempi (4T):

Elementi mobili e fissi in un motore 4T, ciclo 4T
PH: researchgate.it

aspirazione: inizialmente il pistone si trova al punto morto superiore (PMS). La valvola di aspirazione si apre, il pistone scende correndo lungo le pareti del cilindro fino al punto morto inferiore (PMI) e, per depressione, aspira un flusso d’aria che passando per il carburatore porta con sé benzina nebulizzata;

compressione: mentre entrambe le valvole sono chiuse, il pistone risale comprimendo la miscela aria-benzina ed aumentando la temperatura;

scoppio ed espansione: un impulso elettrico comanda la candela che genera una scintilla e provoca automaticamente uno scoppio all’interno del cilindro. In questo modo si ha una violenta espansione, durante la quale il pistone raggiunge nuovamente il PMI;

scarico: il pistone risale dal PMI al PMS spingendo i gas combusti ormai inerti attraverso la valvola di scarico che contemporaneamente si è aperta.

Una volta completato lo scarico, la valvola si richiude e il ciclo può ricominciare.

 

Coppia motore nelle diverse fasi

Appare evidente che solamente da una di queste quattro fasi (espansione, detta per questo motivo fase attiva) è possibile estrarre lavoro utile, mentre le altre tre svolgono un’azione passiva lavorando contro gradiente di pressione e assorbendo energia, soprattutto per contrastare gli attriti dei diversi componenti in movimento, comprimere la miscela aria-benzina e per scaricare all’esterno i gas inerti combusti.

Ma come è possibile sfruttare la combustione per ottenere moto se tre delle quattro fasi richiedono un dispendio energetico? Per rispondere a questa domanda è utile introdurre il seguente grafico che mostra un generico andamento della coppia motrice. Questa è un indice di contributo energetico, generato o speso durante un ciclo completo del nostro motore 4T:

Coppia motrice durante un ciclo, ciclo 4T
PH: kaemart.it

La coppia motore prodotta durante lo scoppio è evidentemente superiore alla coppia richiesta durante le altre tre fasi passive. Questo rende possibile sfruttare tutto il ciclo per poter ottenere lavoro utile e mantenere in rotazione l’albero motore.

Il grafico in particolare fa riferimento ad un singolo cilindro, quindi risulta chiaro che utilizzando un monocilindro è decisamente impossibile ottenere coppia costante; sfruttando invece più cilindri è possibile pensare ad uniformare questa situazione. Con 4 cilindri in linea (scelta più gettonata), sfalsati tra di loro di una fase, si riesce ad ottenere una coppia motrice abbastanza continua e sfruttare meglio il ciclo. Configurazioni V8, V10 e V12 estremizzano questo concetto e cercano di rendere costante la coppia motrice durante tutto il funzionamento.

 

Vantaggi e svantaggi

Ma quali sono i reali vantaggi introdotti con la configurazione dei motori a V? Proviamo a confrontarlo con un classico motore a pistoni in linea, tipica geometria adottata sui veicoli che vediamo quotidianamente in città.

A parità di cilindrata (volume d’aria teoricamente aspirato durante un ciclo, quindi variazione di volume tra il PMS e il PMI) il motore a V si mostra più compatto. E’ infatti possibile ottenere un motore più corto con un baricentro più basso, talvolta migliorando anche il bilanciamento. D’altra parte bisogna anche prevedere una duplicazione di molti organi, con tutte le conseguenze collegate al costo di produzione e riparazione, e alla complessità di progetto.

In questo caso è anche necessario tener conto che l’estensione dei cilindri non è più soltanto lungo la verticale, come avviene in una configurazione di pistoni in linea, ma ha anche una componente orizzontale: questo si traduce in un maggior ingombro trasversale.

 

Alcune curiosità

Nei motori più complessi – ma in generale in tutti – è necessario prevedere uno schema di accensione, ossia una sequenza ben definita con cui si innesca la combustione all’interno dei vari cilindri. In ogni differente motore la sequenza di accensione consigliata è indirizzata a ottenere una coppia regolare, evitando al tempo stesso la generazione e propagazione di vibrazioni. In un 4 cilindri gli schemi di accensione sono tutti simili, mentre in un V12 le possibilità sono decisamente maggiori:

Motori V12 Lamborghini Aventador, schema di accensione
PH: exhausted.ca

Quello in figura è lo schema di accensione di un motore V12 di una Lamborghini Aventador, dove i vari numeri indicano appunto la sequenza precisa studiata durante il progetto: l’ottimizzazione di motori ad alto contenuto tecnologico passa necessariamente anche attraverso particolari sottigliezze.