Alesaggio e Corsa determinano la cilindrata, influiscono direttamente sulla coppia sviluppata da un motore, sul numero di giri sui quali un motore riesce a lavorare ed in ultima analisi sulla potenza.
Ma come influenzano i consumi e come vengono scelti in base all'uso cui si vogliono destinare?
Per iniziare un po' di basi:
- alesaggio = larghezza del pistone
- corsa = lunghezza del movimento verticale del pistone dal Punto Morto Superiore al Punto Morto Inferiore
Dal punto di vista di queste due dimensioni i motori si possono distinguere in tre macro categorie:
- Super quadro: Alesaggio>Corsa
- Quadro: Alesaggio=Corsa
- Sotto quadro: Alesaggio < Corsa
Ora memorizzatevi queste formule:
Cilindrata in cc = (A/2)2 * p *
C * numero dei cilindri / 1000
Potenza = CM * GS * 2p / 75
Con:
- A: alesaggio;
- C: corsa;
- p: pi greco=3,14 (arrotondato)
- CM: coppia motrice (o momento torcente) espressa in Kg*m
- GS: giri al secondo
Le tre tipologie di motore sopra descritte(super/sotto/quadro) hanno caratteristiche molto diverse fra loro che ne influenzano la destinazione d'uso.
A parità di cilindrata i valori di alesaggio a corsa determinano lo spostamento della curva di coppia in alto o in basso sulla linea dei giri.
In fase di progettazione, partendo dall'utilizzo cui un motore è destinato, si determina un'ipotetica potenza che esso sarà chiamato ad erogare e da questa, in base alla cilindrata, il regime di rotazione dell'albero.
Da qui il gioco è semplice: dato il regime di rotazione massimo sostenibile si ricava la corsa e quindi tutta la struttura del motore.
(ovviamente un progettista deve tenere conto della qualità dei componenti e quindi dei costi di produzione e i cosumi).
Ad esempio su un 2t è meglio un motore quadro (alesaggio e corsa uguali).
Questa soluzione è quella che consente di raggiungere il miglior compromesso tra compattezza della camera di combustione, ridotte perdite di energia sotto forma di calore, potenza e coppia ottenibili.
Nei 2T non è conveniente allontanarsi troppo da questa proporzione per via della loro particolare distribuzione per tre principali ordini di motivi:
- In questo tipo di motori non ci sono le valvole, ma solo le luci
di aspirazione e scarico. L'assenza delle valvole implica che essi
possano girare a regimi più bassi rispetto a un 4T. Inoltre a
parità di fasature le luci rimangono più basse e quindi
di sezione minore.
- Un 125 2T non può sopportare corse troppo corte
perché il pistone raggiungerebbe una velocità media
limite di 25m/sec al regime di 14000 giri.
Direi che è più che sufficiente perchè si avvicinano solo i 125 da Gp a quei regimi.
- I 2T sono avvantaggiati rispetto ai 4T dal fatto di essere sovralimentati in fase di precompressione nel carter-pompa. Con un super quadro tale pre-compressione sarebbe inferiore. Inoltre un alesaggio elevato implicherebbe una scarsa inerzia dinamica dell'aria fresca in fase di lavaggio.
Nei 4T (motociclistici) è preferibile invece un super quadro.
Infatti essendoci le valvole il problema dei giri elevati dipende soltanto dal livello di stress sopportabile dai materiali di costruzione. In un super quadro il pistone percorre meno strada, quindi, a parità di velocità del pistone il motore gira più forte.
Velocità Lineare Media del pistone =
millimetri della corsa * n. giri al minuto/30.000
Data la robustezza specifica dei materiali di costruzione moderni, nella progettazione dei 4T la scelta dei valori di alesaggio e corsa viene fatta sopratutto in base alle prestazioni che si vogliono ottenere:
- il valore della corsa è quello che determina la coppia,
essendo questo l'unico braccio di leva sul quale agisce la potenza
sviluppata dalla combustione;
- il valore dell'alesaggio è un fattore "a moltiplicare" della potenza: infatti la pressione sviluppata dalla combustione agisce sul pistone moltiplicata per la superficie del suo cielo.
Quindi nei 4T le proporzioni superquadre favoriscono l'ottenimento di grandi potenze, sia per la maggiore superficie dei pistoni, sia per la possibilità di raggiungere regimi più elevati. Infatti dato il ridotto valore della corsa, la VLM del pistone si mantiene più facilmente entro limiti di sicurezza.
Inoltre alesaggi estesi permettono di montare valvole di maggior diametro e doppie candele, quindi più riempimento e più giri e quindi più potenza.
Corse corte invece implicano bielle più corte e più leggere, minori ingombri e minori carichi laterali sul mantello del pistone (anche se è vero che esistono dei motori per i quali, per far si che la biella nella fase di spinta sia mediamente perpendicolare al pistone e crei la minore spinta laterale possibile, il cilindro è costruito in modo che l'asse del cilindro passi spostato rispetto all'asse di rotazione dell'albero motore. Esempio ne è la cbr250r del 2011).
Tuttavia, anche rimanendo nell'area dei 4T, la coscienza della destinazione d'uso di un motore è fondamentale.
Infatti, data una cilindrata, aumentando l'alesaggio si riduce lo sforzo per fare muovere il pistone del far girare l'albero motore con sforzi uguali ad un pari cilindrata sotto quadro. Aumentando così gli scoppi nell'unità di tempo quindi aumentando la potenza rinunciando però ad un po' di coppia ai bassi regimi.
Al contrario gli alesaggi piccoli dei sotto quadro consentono una corsa maggiore, quindi una biella più lunga, creando così un braccio di leva più favorevole in grado di generare più coppia che cv.
Il vantaggio dei sottoquadri è che si ottiene una camera di combustione più compatta (vedi Ducati testastretta) e la possibilità di aumentare la cilindrata di un motore agendo solamente sull'alesaggio.
Il rovescio della medaglia sta in maggiori vibrazioni e l'impossibilità di raggiungere elevati regimi di rotazione.
Quindi i superquadri riescono ad erogare maggiore potenza e di raggiungere un elevato numero di giri, ma viene penalizzata la coppia ai bassi regimi.
Nei sotto quadri c'è più coppia ai bassi penalizzando la potenza agli alti regimi.
Questo non vuol dire che i superquadri hanno meno coppia, ma che la generano a regimi più elevati.
(C'è una piccola puntualizzazione da fare per i monocilindrici per i quali si ottiene un'elevata coppia ai bassi regimi, nonostante la superquadratura, come ad esempio i motard 4T.)
In pratica il valore di coppia viene traslato in alto o in basso sull'arco dei giri. In questo modo si modifica l'erogazione del motore e il valore della potenza.
In teoria quindi i motori super quadri sono più adatti all'allungo (con migliori rendimenti a regimi più elevati).
I sotto quadri hanno una coppia elevata sin dai bassi regimi, quindi molta più accelerazione. Per contro si abbassa il limite del fuorigiri, penalizzando l'allungo.
Tuttavia lavorando sul sistema di trasmissione (cambio e rapportatura) di può arrivare ad avere un buon allungo anche con un sotto quadro, che potrebbe in extremis, arrivare alla velocità massima di un super quadro.
Lo stesso vale dal lato opposto.
Se un motore fa troppi (o troppo pochi giri) agendo sulla rapportatura è possibile mantenerlo nel regime di rendimento per lui ottimale tramutando la coppia massima in giri e quindi mantenendo al massimo la potenza
Paradossalmente si potrebbe montare tranquillamente un motore di una R1 su un camion, basterebbe dotarlo di un cambio tale (di una ventina di marce) che gli consenta di permanere al regime di potenza massima.
In pratica la coppia può essere moltiplicata all'infinito applicando il principio della carrucola. Trattandosi di un valore istantaneo dipendente dal carico applicato e dal braccio di leva (corsa-biella), basta agire sulla lunghezza della leva e il gioco è fatto.
Per la potenza invece non c'è nulla da fare. Questa è un valore che misura il lavoro in un'unità di tempo e dipende dalla coppia e dalla rotazione (vedi formula ad inizio articolo) e non può essere modificata agendo sui rapporti. I rapporti consentono soltanto di distribuire la potenza in modo diverso nel tempo.
(Per pura speculazione intellettuale si può concludere che, considerando la motocicletta nel suo complesso, non soltanto il motore, la coppia varia a seconda di dove viene rilevata lungo la linea di trasmissione: dal albero motore alla ruota.)
Il problema si pone con il numero di giri, e quindi con il livello di stress prolungato, che il motore sarebbe costretto a sopportare.
Credo che il camionista non sarebbe contento di avere un motore che brucia un pieno di carburante ogni 100km, da sottoporre a manutenzione quotidiana e da sostituire dopo 20000 Km.
Quindi si aumenta la cilindrata allungando il braccio di leva cioè realizzando motori sotto quadri che riducono il numero di giri (e con essi la potenza), allungandone la vita.
Ovviamente con organi rotanti più grandi aumenta anche il peso.
Ecco perché automobili e mezzi consimili hanno motori con coppie altissime in basso, ma che non possono nemmeno sognarsi la cavalleria di una moto sull'allungo (a meno che non si voglia spostare il discorso sulle auto da corsa): per garantirne una lunga durata, la capacità di muovere grossi pesi e la possibilità di usare poco le marce.
Una moto invece non ha bisogno di molta coppia ai bassi per muoversi, perché è leggerissima, quindi si prediligono motori super quadri che sprigionino più cavalli agli alti.
Detto ciò è possibile determinare un vantaggio in termini di consumi?
Ovviamente si.
Tendenzialmente si è portati a pensare che a cilindrata più piccola corrispondono consumi minori.
Questo vale solo a parità di caratteristiche del motore e a basse potenze erogate.
In realtà consumi dipendono dal regime a cui un motore è costretto a lavorare. Un 600 che spinge a 130cv consumerà di più di un 1000 a parità di potenza perché è costretto a girare più alto.
E vero che la differenza di cilindrata riduce il gap, ma i vantaggi di un 1000 sono maggiori degli svantaggi.
Il contrario avviene a 30 cavalli: entrambi girano bassissimi, ma il 600 ha camere di scoppio più contenute.
E' chiaro quindi che, tralasciamo effetti dissipativi, i consumi dipendono dal regime di giri a cui un motore è costretto (o fatto) lavorare. Questo si traduce diverse proporzioni di alesaggio/corsa.
Inoltre quando il rapporto Corsa/Alesaggio scende sotto lo 0,50 servono degli attivatori di fiamma per le benzine normali, oppure benzine speciali (vedi motori di F1).
E' vero che a regimi più elevati ci sono più perdite di energia, ma affrontando lo studio di termodinamica ci sarebbe da scrivere un libro (piuttosto voluminoso).
Per avere le idee più chiare basti confrontare i consumi di una R1 con quelli di una qualsiasi automobile 1000 di cilindrata.
Prendiamo due pari cilindrate di un motore super quadro e sotto quadro:
Super quadro: BMW RR1000S: Alesaggio x Corsa: 76x55
Sotto quadro: Toyota Yaris: A x C: 71 x 84
Il primo sprigiona 93cv a circa 7000 giri/minuto
Il secondo 93cv li ha ai 3600 giri
Il primo aspira 3500 litri d'aria al minuto
Il secondo ne aspira 1800
(sono 4T quindi aspirano ogni due giri)
Dato il peso dell'aria a livello del mare di circa 1,22 gr/litro:
Il primo aspira 4.270 grammi
Il secondo 2.196 grammi
Dato per uguale il rapporto stechiometrico di 1:14
Il primo brucerà 305 gr di benzina al minuto
Il secondo circa 157 gr.
Pur con tutti gli arrotondamenti del caso. Ecco dimostrato aritmeticamente come influenzano i consumi la lunghezza delle leve e l'area della testa del pistone.