Power unit

    Motori V8, V10 e V12: cosa sono questi numeri ?

    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.

     

     

     

    Achates Power ‘Opposed’ engine: 3 cilindri 2T, 6 pistoni per un’efficienza mostruosa

    Come ben sappiamo, la seconda guerra mondiale, per quanto brutale possa esser stata, ha rappresentato un grande trampolino di lancio per l’ingegneria a 360°, all’insegna de “il fine giustifica i mezzi“. Tuttavia, per una sorta di principio di sopravvivenza, gli ingegneri dell’epoca realizzarono motori con grande potenziale, in quanto dotati di tecnologie innovative, ancor’oggi studiate. Esempi possono essere i motori a compressione variabile (dal Ciclo di funzionamento Atkinson), il motore ad iniezione d’acqua (BMW M4 Gts) e il motore a pistoni opposti di cui parleremo in questo approfondimento.

    La maggior parte delle invenzioni dell’epoca non aveva i mezzi e gli strumenti adatti per realizzarle e renderle una realtà possibile ed efficiente.

    Come funziona questo paradosso?

    achates power ignition
    youtube.com

    Achates Power Engine, in collaborazione con Mazda, ha realizzato un motore 2,7 L essenzialmente 2T, 3 cilindri con 2 pistoni opposti a cilindro, con funzionamento affidato al ciclo Diesel e turbocompresso. Insomma, tante cose scoordinate tra loro, eppure è così. Praticamente è come se si fossero accoppiati due basamenti inferiori (ripuliti della testa) di due blocchi motore da 3 cilindri, in orizzontale.

    Nel collegamento vi sarà una leggera, ma sostanziale, modifica, in modo da renderlo un motore 2T. Via le valvole, le camme e le mollette di richiamo, adesso troveremo all’interno dei cilindri delle luci di travaso (cavità) proprio come nei 2tempi.

    Esse sono localizzate nell’estremità del cilindro: una per l’aspirazione dell’aria che giunge dal lato compressore del turbogruppo, una per lo scarico degli esausti.

    Funzionamento:

    achates power ignition
    youtube.com

    In fase di discesa (pistoni alle estremità), l’aria turbocompressa entra dalle luci del travaso di aspirazione (come se fosse un doppia valvola di aspirazione).
    Successivamente i pistoni si avvicinano tra loro andando a chiudere le luci d’aspirazione (quindi bloccando l’aria da richiamare dal canale d’aspirazione a valle del turbogruppo).

    Ciò va a comprimere l’aria facendole raggiungere la temperatura di autoaccensione. Una volta raggiunta la massima pressione, gli iniettori Diesel iniettano gasolio nel cilindro, la quale innesca la combustione per l’elevata temperatura dell’aria.

    Una volta che i due pistoni si allontanano tra loro e le luci di aspirazione e scarico risultano scoperte, l’aria ad alta pressione entrante, spazza fuori i gas combusti dalla sua corrispettiva luce di scarico. In questo modo è ottenuto il lavaggio.

    I due alberi motore sono collegati tra loro mediante rotismi ordinari a dentatura dritta, la cui trasmissione di potenza converge verso un unico asse, quello del volano e del consueto gruppo trasmissione.

    Principali vantaggi:

    piston opposed
    youtube.com

    Sicuramente questa nuova architettura, molto simile ad un motore Boxer o V180 in verticale, ha numerosi vantaggi.

    • Il primo fra tutti è l’ottimo rapporto ingombro-cilindrata.
    • Inoltre questo propulsore rispetta già le stringenti normative anti-inquinamento del 2025, che tanto preoccupano gli ingegneri motoristi.
    • Infine, non per importanza, ha un resa termica di circa 50% in più dei motori tradizionali: assolutamente incredibile.

    Nella categoria mondiale Automotive, non si era mai registrato un simile valore di rendimento. Ovviamente, aspetteremo i prossimi mesi per vedere in che modo, e soprattutto, da chi verrà adottata questa tecnologia.

    Tecnologia che, dopo quasi un secolo, viene vedersi applicata anche al mondo Automotive, dopo aver contribuito alla propulsione di aerei da caccia militari, sottomarini e carri armati. C’è da ricordare, tuttavia, che il primo motore a pistoni opposti (OP) fu idealizzato e brevettato a Torino nel 1858 da Barsanti e Matteucci. Esso poteva utilizzare idrogeno (anche se all’epoca era complessa la gestione dell’iniezione dell’idrogeno) o l’acetilene miscelato all’aria.


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