Parametri geometrici dei motori a combustione

Non solo tra ingegneri e progettisti, ma anche tra gli utenti, un argomento spesso discusso riguarda le  dimensioni principali che un motore dovrebbe avere per rappresentare un’unità di azionamento efficiente, e durevole in una determinata categoria. In questo articolo, presenteremo le questioni di progettazione di base che influenzano il rapporto tra diametro del cilindro e corsa del pistone, nonché il numero di cilindri e la loro disposizione.

Numero e disposizione dei cilindri

Nel caso del numero e della disposizione dei cilindri nelle autovetture, nel corso degli anni si sono sviluppate interessanti tendenze tecniche, seguite dalla maggior parte dei team di progettazione. Naturalmente, esistono delle eccezioni, di cui parleremo più avanti. Discuteremo anche la questione del cosiddetto “ridimensionamento”.

In generale, i motori monocilindrici non sono mai stati utilizzati e non lo sono per attualmente per alimentare le autovetture. Ci sono diverse ragioni per questo.

Da un lato, aumentando il numero dei cilindri, possiamo aumentare le prestazioni a cilindrata costante. Le parti più piccole sono più facili da produrre e più affidabili. Inoltre, il raffreddamento risulta più efficiente, poichè l’aumento della cilindrata equivale all’aumento delle dimensioni alla terza potenza, mentre l’aumento dell’area di raffreddamento equivale all’aumento delle dimensioni alla seconda potenza. Inoltre, con più cilindri, la rotazione dell’albero motore è più uniforme e priva di vibrazioni. Grazie alla diversa disposizione dei cilindri, abbiamo maggiori possibilità di modellare le dimensioni esterne, il che aumenta il grado di utilizzo del volume disponibile.

Numero di cilindri e dimensioni principali del motore

Il numero di cilindri ha un impatto significativo sul design finale del motore. Durante il processo di pianificazione, le dimensioni principali possono essere determinate calcolando lo spostamento.

È importante ricordare che, durante la formulazione dei presupposti di base per i calcoli, quando si formulano i presupposti di base per i calcoli, è necessario tenere sempre presente che essi possono essere soddisfatti solo se vengono soddisfatte determinate condizioni. Ad esempio, una cilindrata elevata può essere ottenuta solo con un motore ad alta velocità e a media pressione.

Prestazioni e numero di cilindri

Il numero di cilindri ha un impatto diretto su due parametri generali dei motori a combustione: cilindrata e velocità di rotazione. Mantenendo la stessa cilindrata, l’aumento del numero dei cilindri consente di aumentare la velocità, purché ciò non influisca negativamente sullo scambio di carica nel cilindro o sul processo di combustione.

Sorge la domanda: quanto aumenta l’efficienza con l’aumento del numero di cilindri e per quanto tempo è possibile aumentare il numero di cilindri?

Secondo le conoscenze attuali la potenza del motore aumenta in proporzione alla radice cubica del numero dei cilindri mentre la cilindrata rimane invariata ed il diametro del cilindro diminuisce in proporzione inversa.

Da ciò possiamo concludere che quanto più aumentiamo il numero dei cilindri, tanto minore sarà la potenza aggiuntiva che potremo ottenere dal motore. Al di sopra dei 10-12 cilindri il costo di produzione aumenta a tal punto che non è redditizio aumentarne ulteriormente il numero.

Motore Bugatti Veyron

Allo stesso modo, i motori a quattro cilindri utilizzati nelle autovetture non raggiungono cilindrate superiori a 2-2,5 litri perché l’aumento delle dimensioni dei pistoni aumenta eccessivamente lo squilibrio di massa ai regimi più alti, rendendo necessaria una significativa riduzione della velocità.

In termini di geometria, i motori a quattro cilindri sono lontani dalla struttura ideale, le versioni a sei cilindri sono molto più vicine ad essa. Il loro bilancio di massa non richiede correzioni e sono caratterizzati da un funzionamento estremamente uniforme e regolare. Nel complesso, però, non hanno mai trovato un utilizzo più diffuso perché i loro costi di produzione sono molto più alti – almeno il 50%. Ciò è dovuto alla necessità di un design più complesso dell’albero motore, nonché di garantire l’uniassialità per un numero maggiore di cuscinetti.

Alcuni produttori (Volvo, Volkswagen, Mercedes, Audi, ecc.) trovarono soluzioni di compromesso introducendo motori a cinque cilindri (ancora presenti in alcuni modelli), che non sono fluidi come i sei cilindri, né economici come i quattro cilindri, ma hanno anche i loro vantaggi.

Disposizione dei cilindri

Nei primi decenni della costruzione automobilistica, apparvero sulla strada motori dalle dimensioni e dal numero di cilindri davvero sorprendenti: erano disponibili motori da 16 e 18 cilindri. Poi a metà del XX secolo, questi mostri furono soppiantati da modelli con un numero molto più ragionevole di cilindri: nessuno di essi aveva più di 8.

Nonostante il fenomeno del ridimensionamento, le auto sportive e di lusso utilizzano ancora motori a 8, 10 e 12 cilindri, e alcuni produttori (Bugatti) hanno addirittura riportato in auge i motori a 16 cilindri.

Molte invece sono state finora le soluzioni sviluppate per quanto riguarda il sistema cilindri, di seguito vengono presentate le più importanti:

Disposizione delle file

La forma di arrangiamento più popolare e più antica. La forma più popolare è ancora la versione a quattro cilindri in linea, anche se le versioni a tre cilindri stanno guadagnando popolarità a causa del già citato ridimensionamento. Anche i motori a cinque cilindri utilizzano questa soluzione. Anche per le auto da Gran Premio furono preferiti i motori a otto cilindri in linea, ma col tempo questi scomparvero dal mercato perché il lungo albero motore sarebbe stato troppo suscettibile alle vibrazioni torsionali dovute all’aumento dei giri.

Il grande vantaggio qui è un facile accesso e una manutenzione più semplice. La riduzione dell’altezza e un migliore utilizzo dello spazio si ottengono inclinando i motori di una certa angolazione. In alcuni ambiti di applicazione (ad esempio negli autobus a pianale ribassato) tale angolo può arrivare a 90 gradi: allora si parla di motore orizzontale.

Disposizione a V (a forma di “V”)

Un tipo di sistema a doppia fila in cui due cilindri opposti azionano un albero motore comune. Al giorno d’oggi, i motori sportivi e da corsa utilizzano questa versione quasi senza eccezioni, perché è molto compatta a parità di cilindrata, grazie alla quale le sue prestazioni per unità di volume sono eccellenti.

I blocchi motore V2 sono spesso utilizzati nelle motociclette e la stragrande maggioranza delle auto rientra nella gamma da V6 a V12. L’angolo del cilindro è abbastanza variabile ed è di 45, 55, 60, 80, 90 o 180 gradi.

“Pugile”

In un motore boxer l’angolo di inclinazione dei cilindri opposti è di 180 gradi. Questo tipo di motore, tuttavia, non è identico ai motori a V di 180 gradi, poiché ciascuna bancata di cilindri serve un albero motore separato. Grazie a ciò, i cilindri opposti lavorano in fasi opposte, conferendo al motore il suo suono caratteristico.

Motore boxer

La sua efficienza volumetrica non raggiunge i livelli dei motori a V, ma contribuisce a mantenere basso il baricentro della vettura. A causa dei costi di produzione, solo pochi marchi adottarono a lungo termine questa disposizione dei cilindri (Subaru, Porsche), ma questa soluzione divenne il loro marchio di fabbrica.