Tecnica
Qual'è la cilindrata in cui un motore si esprime al meglio?
Scritto da Ospite - Pubblicato 27/02/2012 09:39
Quali sono le cilindrate nelle quali un motore monocilindrico si esprime al meglio, distinguendo tra due tempi a benzina, quattro tempi benzina e diesel

Esistono, lo sappiamo tutti, tante cilindrate. Ma volendo prendere in considerazione un monocilindrico 2T e 4T, dal 30cc della motosega all'oltre 600, in quale cilindrata le caratteristiche tecniche dell'uno (travasi, numero di travasi, forma, luci di scarico, regime di rotazione, rendimento, durata, affidabilità, disposizione delle valvole, eventuali iniettori o carburatori, pompe ecc...) prevalgono sull'altro in quella specifica cilindrata?

Ebbene, questo articolo vuole porre risposta a questa valida domanda. Con rendimento intendiamo la possibilità del motore non di dare il massimo della velocità, ma di lavorare in condizioni il più possibile vicino a quelle ideali.


2 tempi

Il 2T è un motore semplice, a rapida rotazione e dall'eccellente risposta all'aprirsi della manopola del gas. Fa uno scoppio ogni giro e ha lubrificazione a perdere, almeno nella quasi totalità dei casi e viene alimentato tramite una miscela di benzina e olio. Per questioni di natura del propulsore, si ha coppia solo ad un elevato numero di giri, superiore al 4t e una potenza massima elevata, sempre a giri alti. Grazie ad una questione di fluidodinamica, che sfrutta le turbolenze che si creano nella camera di combustione, con le fasi di espansione e compressione dei gas e loro spostamenti, determinate cilindrate riescono ad ottimizzarsi in maniera tale da riuscire a sviluppare la potenza massima ottenibile.

La fase di lavaggio, la velocità media del pistone ed i giri massimi che sono raggiungibili prima di andare in detonazione (e perdere quindi potenza) sono influenzati molto dalle turbolenze che si vengono a creare all'interno della camera di scoppio, determinando così in base alle grandezze di questa il rendimento più o meno buono di un motore. Anche l'olio svolge il suo compito più efficacemente grazie alle turbolenze, andando a lubrificare e raffreddare, insieme alla benzina, al meglio i punti critici, come le pareti del cilindro. Altro fondamentale fattore sono le onde di contro pressione che, generate dall'espansione posta sullo scarico, praticamente comandano il flusso dei gas freschi e gas combusti .

Nel 2t si raggiunge la potenza massima esprimibile nel frazionamento di 125 centimetri cubici, per le leggi della fisica fluidodinamiche sopra spiegate. E' doveroso aggiungere che sia in caso di motore quadro, superquadro o sottoquadro (alesaggio uguale, maggiore o minore della corsa) la dimensione della camera di scoppio è tale da permettere una corretta espansione del fronte di fiamma (i gas che sono incendiati), incrementando quindi la resa termica del propulsore stesso.

Naturalmente bisogna calcolare una giusta dimensione delle luci per ottimizzare lo sfruttamento delle sopracitate onde a regimi di potenza e coppia elevati nel migliore dei modi, ma nella cilindrata 125cc il vantaggio sopracitato si ha con qualsiasi genere fasatura e/o di materiali, ma con rese leggermente diverse.

Un motore 50cc, pur funzionando alla perfezione ha una camera di scoppio troppo piccola ed elevata velocità media del pistone che non permettere a pari fasatura, rapportata in proporzione con quella del 125 preso in questione, un corretto sfruttamento della fase di espansione ed i gas vanno e vengono con troppa rapidità non consentendo al propulsore di esprimere appieno la sua potenza. Il discorso e invece inverso con la cilindrata 250, in quanto il pistone ha velocità mediamente basse e i gas hanno una fase di espansione prolungata, che può portare anche a disuniformità della carica se non correttamente gestita con interventi sullo squish e sulla forma della camera di scoppio e travasi.

Fu infatti sfruttata questa conoscenza per produrre, tempi addietro, moto da gara 500 2t, che erano quadricilindrici da 125cc l'uno ed erogavano potenze paragonabili agli odierni 1000 4t quattro cilindri.

Vedi immagine su Wikipedia che mostra il ciclo di funzionamento del 2T.


4 tempi benzina

Il motore 4t è il motore che sta sempre avendo più successo sugli altri, sia nelle versioni benzina che diesel. E' un motore complesso, che teoricamente può raggiungere rotazioni più elevate del 2t dato che questi è limitato a 15-16 mila giri/min perché oltre ai suddetti regimi le fasi si sovrappongono, anche se in genere questo limite è legato sia dalla fluidodinamica, sia a motivi strutturali ed il tutto è evidenziato dalla velocità media del pistone.

Nei 4t il limite della sovrapposizione delle fasi viene superato grazie all'uso dei variatori di fase, mentre le ricerche sull'uso di materiali speciali e nuove tecnologie va avanti. Il 4t è un motore ecologico e dai bassi consumi, che svolge uno scoppio ogni 2 giri ma che oggi come oggi, sviluppa potenze massime inferiore ai 2t di pari cilindrata e fasatura, ma coppia più elevata e a bassi giri.

Sempre per le questioni di fluidodinamica citate nel 2t, valide anche per il 4t, la cilindrata unitaria più efficiente è compresa tra i 350 e 450cc.
Naturalmente bisogna calcolare la corretta fasatura delle valvole per ottimizzare lo sfruttamento delle turbolenze create in camera di scoppio, che però risultano più gestibili, grazie alla possibilità di interventi sulle valvole, a differenza dei travasi, che non possono essere forzati contro le leggi della fisica.

Vedi immagine su Wikipedia che mostra il ciclo di funzionamento del 4T.


4 tempi diesel

Sul diesel 4T la cilindrata unitaria migliore è di 450 cc, scoperta da recenti studi compiuti da Audi con la sua R10 TDI, usata nelle competizioni.
 

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Commento di: giunas il 27-02-2012 20:39
Articolo interessantissimo! Complimenti :)
Commento di: giunas il 27-02-2012 20:39
Articolo interessantissimo! Complimenti :)
Commento di: Ospite il 27-02-2012 23:25
Grazie, spero possa piacere a tanti.
Commento di: de_corsa il 28-02-2012 09:48
Sottoscrivo l'intero articolo ponendo però l'accento sul fatto che per quanto riguarda i 2T, la cilindrata unitaria di 125cc è stata anche quella su cui, per motivi legati a regolamenti sportivi e di mercato, sono stati compiuti gli studi più approfonditi e continuati nel tempo, studi che si sono quindi concretizzati col risultato di esaltare il rendimento di questa cilindrata in particolare.
Basti penare che perfino una Casa come la Honda, con tutti gli studi e le simulazioni che può fare, alla fine portava in pista 20-25 camere d'espansione diversamente conformate per apprezzarne il rendimento REALE su ciascun motore: questo suggerisce che col 2T neanche loro avevano le idee tanto chiare sulle effettive dinamiche termiche che li caratterizzavano...
Un fato emblematico è che per i 125GP la stessa Honda affidasse ad un consulente esterno, uno specialista napoletano ( Joe Romano, più che noto nell'ambiente) lo sviluppo dei pacchi lamellari!

Per quanto riguarda la disponibilità di coppia, non è del tutto vero che il 4T sia avvantaggiato sul 2T: dipende anche dal termine di paragone se viene impostato sulla cilindrata o sulla potenza.
ad esempio, a parità di potenza specifica abbiamo un 4T bello allegro ed un 2T più che tranquillo: ciò significa che il picco di coppia espresso dal 2T - all'incirca lo stesso del 4T - si trova a regimi circa DIMEZZATI rispetto al 4T!!
il vero vantaggio del 4T è nella maggior distribuzione di una buona coppia nell'arco dei giri, ovvero il suo range di rendimento, compresa la capacità di allungo oltre il regime di potenza massima, una performance negata al 2T

del 4T, ai tempi dei miei studi si diceva che la cilindrata unitaria ideale fosse tra i 300 ed i 400cc, ma si trattava di motori a carburatori ed il tempo è passato...
...e dopo aver letto questo articolo, sono ancora più contento di aver appena acquistato una monociclindrica di 450cc :-))

del Diesel non sapevo, grazie, interessante.
non sapevo neanche della sigla R10 che a me ricordava solo l'auto su cui imparai a guidare nella seconda metà del secolo scorso: una Renault R10, appunto, ma era a carburatori, non TDI...

Tuttavia, faccio notare che alla fine, la cilindrata unitaria, e quindi il frazionamento di un motore pluricilindrico, vengono scelti soprattutto in base a parametri diversi dal rendimento termico.
in particolare, essa viene tenuta tendenzialmente "bassa" quando la priorità è la potenza specifica
ed alta, ai fini di ridurre il frazionamento di una data cilindrata, quando le priorità sono l'economia di produzione, la durata del motore (meno giri = più km) o la disponibilità di coppia - la stessa, perché il suo valore massimo dipende dalla cilindrata e non dal frazionamento - a bassi regimi.
Il parametro del rendimento rimane prevalente ovviamente quando l'obiettivo da perseguire sono dei ridotti consumi e la massima autonomia!
ummh, molto importante per l'enduro... ;-)
Commento di: TartarUgo il 28-02-2012 10:44
Utile articolo, utile complemento all'articolo ;-)
Commento di: Ospite il 29-02-2012 08:44
Ottimo e tecnicamente completo! Bravo De_Corsa, il tuo intervento ha contribuito ad arricchire e completare l' articolo... grazie :)
Commento di: llanzo il 09-03-2012 16:20
Mah, ve la siete scordata la Kawasaki con le mitiche (mach 350, 500, 3 cilindri, 2 tempi) motori di una potenza spropositata rispetto al telaio (le chiamavano bare volanti) se le ricorda nessuno ? Sul dritto stracciavano qualsiasi moto 4 tempi, all'epoca. Si impennavano alla grande, si, prova a far impennare una Triumph Boneville o una Norton o la mitica Honda CB 750! Parlo degli anni, tardi 70.
Salutoni e doppio lampeggio se vedo la pula !
Lanzo
Commento di: sguelfaro il 10-03-2012 18:25
Io impenno praticamente con tutto.E' solo questione di tecnica e di un po' di coraggio . Ciao (su strade aperte al traffico non lo faccio mai perchè è da idioti e pazzi)
Kawasaki Mach
Commento di: de_corsa il 24-03-2012 07:51
le Kawasaki a 2T non erano poi così potenti come si ricorda nel loro mito: la più potente e pericolosa di esse, la Mach IV da 750cc che chissà perché è la versione meno ricordata, erogava 71cv ovvero appena 1cv in più della poco meno che contemporanea Guzzi 850 Le Mans che peraltro era anche un po' più veloce della giapponese nonostante nessuno si azzardi a ricordarla, la Le Mans, come una moto strapotente!

il fatto è che, come accennato da Ilanzo, le Kawa erano troppo potenti per il loro telaio.
tra l'altro, il fatto che s'impennassero con facilità era dovuto al loro baricentro volutamente arretrato proprio per favorire questa performance.
ma eravamo negli anni '70, un'epoca dorata nella quale ancora si faceva qualcosa solo per il piacere di farla.

ricordo che la serie Mach partiva dalla Mach I di soli 250cc
seguiva la Mach II di 350 maggiorata a 400 solo per alcuni mercati come quello italiano
poi la popolare Mach III di 500
e la mitica Mach IV di 750, la bara volante per eccellenza.
tutte tricilindriche, alla faccia del concetto di modularità!

comunque si trattava di moto che a patto di essere adeguatamente riviste nell'assetto, su strada ed in pista erano "brutti clienti" per tutte le altre.
Commento di: Nick992 il 28-02-2012 17:40
Complimenti bell'articolo, mi ha chiarito alcune cose e in parte indirizzato alla scelta di un'eventuale prossima moto ;)
Commento di: CostaF il 28-02-2012 21:58
Grazie per l'articolo valido e conciso.
Commento di: Ospite il 29-02-2012 08:45
Grazie a tutti ragazzi, mi fa piacere che vi piaccia :)
Commento di: Motosega il 29-02-2012 21:03
335 x 4... beh dai, ci sono vicino...
Commento di: Anci il 06-03-2012 13:52
Bel articolo...sempre più convinto che questo sia il miglior forum motociclistico!!!!
Grandi
Commento di: Ronfo il 09-03-2012 10:01
Grazie per le informazioni del tuo articolo.

Se possibile vorrei un chiarimento sulla velocitò del pistone

Nell'articolo si dice:

Un motore 50cc, pur funzionando alla perfezione ha una camera di scoppio troppo piccola ed elevata velocità media del pistone che non permettere a pari fasatura, rapportata in proporzione con quella del 125 preso in questione, un corretto sfruttamento della fase di espansione ed i gas vanno e vengono con troppa rapidità non consentendo al propulsore di esprimere appieno la sua potenza. Il discorso e invece inverso con la cilindrata 250, in quanto il pistone ha velocità mediamente basse e i gas hanno una fase di espansione prolungata, che può portare anche a disuniformità della carica se non correttamente gestita con interventi sullo squish e sulla forma della camera di scoppio e travasi.

Perchè si dice che il 50 ha velocità del pistone alta e il 250 bassa rispetto al 125?

La velocità media del pistone (2 x corsa x giri/sec) nei motori ad esempio da competizione è intorno ai 25 m/sec ed è un limite dovuto ai meteriali e ai lubrificanti e tutti i motori, piccoli o grandi arivano lì.
I 50 cc ci arrivano con un elevato numero di giri e quelli da 250, per forza di cose, con un numero di giri basso.

Quindi, mentre riesco a capire bene l'influenza sulle prestazioni del troppo elevato numero di fasi al secondo per il 50 e il troppo basso numero di fasi al secondo del 250, non riesco a collegarle alla velocità del pistone che è la stessa per le varie cilindrate.

Grazie e ciao

Commento di: Briun il 09-03-2012 10:47
Salve a tutti, motociclisti & non :))
Vorrei esprimere la mia a riguardo.
Anzitutto non si dovrebbe confondere il rendimento di un motore con la sua potenza, nè con la sua potenza specifica. Il rendimento indica quanti KWh (il kilowatt-ora, esprime un "lavoro" non una potenza) il motore fornisce per ogni grammo di combustibile utilizzato.
La potenza (in CV oppure KW) è il lavoro erogato in un' unità di tempo (ma tutti voi sapete già empiricamente cosa è la potenza).
La potenza specifica indica quanta potenza il motore eroga diviso la cilindrata, ovvero indica quanto è "spremuto" il motore.
Per chiarire il concetto di rendimento, basti pensare che i camion o, soprattutto, le navi (!!) hanno rendimenti mooolto alti, e potenze specifiche "relativamente" basse. Perchè? Perchè devono consumare poco pur erogando notevoli potenze, per lunghissimi tratti.

Quindi l'articolo: suppongo si riferisca al miglior frazionamento per ottenere la più alta potenza specifica. In tal caso ci sarebbero un bel po' cose di cui tener conto... il discorso diventa lungo e non c'è sempre accordo tra le versioni, visto che subentrano moltissimi parametri: quanto scritto nell'articolo è grossomodo vero, ma non è incontrovertibile... Pensate alla Formula 1, dove le cilindrate unitarie sono di 300cc (quindi fuori dall'intervallo 350-450cc)

Rigurado la velocità media del pistone: un pistone quando inverte il suo moto (il punto morto superiore e a quello inferiore) annulla istantaneamente la sua velocità. Quindi il quel momento velocità=0 m/s. Poi, grossomodo a metà della corsa (sia in salita che in discesa) raggiunge la sua vel massima relativamente alla corsa considerata. Per questo si parla di "velocità media". E' ovvio che questo parametro dipende dalla velocità di rotazione del motore e dalla cilindrata, o meglio dalla corsa (e, quindi, dalla lunghezza della biella). Ecco perchè un 50 a 2000 giri ha una velocità media del pistone MINORE (e non maggiore!!!) di un 250 (sempre mono) SEMPRE A 2000 giri. A meno che il 250 sia talmente sottoquadro (cortissima biella) e il 50 spropositatamente sovraquadro (lunghissima biella).

Meglio non dilungarsi più, però sono belli questi argomenti!

Lamps!! :)

Fabio Briun
Commento di: TartarUgo il 09-03-2012 11:05
Perdonami, ma la corsa dipende dal braccio di gomito dell'albero motore; la biella ha influenze prevalentemente per la massa e quindi la sua inerzia.
Commento di: Briun il 09-03-2012 11:10
Concordo e rettifico: assolutamente braccio motore!!! ...sorry!
Grazie Ugo!

Fabio
Commento di: tomdado il 12-03-2012 12:51
Io lo trovo abbastanza fuorviante, soprattutto per quanto riguarda i 4 tempi.
Cominciamo comunque con i 2 tempi: negli anni 80 furono proibiti da regolamento le moto da gran premio 125 frazionate, ma i bicilindrici 125 cc si mangiavano i mono.
Le moto da gran premio 500cc (vedi Agostini per capirsi) erano tutte 4 cilindri (quindi 125cc a cilindro) e nessuno si sognava un minor frazionamento. La prima Honda motogp era un 1000 5 cilindri.
I referimenti alle auto sono del tutto fuori luogo, la massa del vericolo è fondamentale per decidere il frazionamento del motore, quello che è ok per una moto non va assolutamente bene per un auto, quello che è ok per una moto da competiione non vale per una stradale.
Quello che va bene per una moto di piccola cilindrata non vale per una di grande cilindrata, un 4T stradale biclindrico 250 cc è forse troppo frazionato, una 500cc 4 cilindri può andare bene e rispetto ad un mono/bi - cilindrico di pari cilindrata ha vantaggi e svantaggi da valutare.
Detto questo l'articolo ha del buon senso, basta che sia chiaro che non ha la pretesa di qualsiasi fondamento teorico.
Commento di: ZioBel95 il 14-06-2014 18:09
I 500 2t 4 cilindri non possono competer con i 1000 di oggi perchè hanno circa 40 cv in meno e spingono sono in alto.