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LA POTENZA E’ NULLA SENZA POTENZA

In un’arena mediatica di numeri sempre più ridondanti, abbiamo affidato all’ingegnere meccanico Giovanni Schipani la rigorosa descrizione tecnica delle effettive potenzialità delle varie cilindrate e tipologie di motori. Una guida preziosa e rigorosa, utile a districarsi con maggiori rudimenti nella giungla di dati.

La potenza. Un dato che nelle auto da corsa, sostituisce per importanza quello più velocemente ricercato nelle auto di serie, che resta la velocità massima. I numeri che rimbalzano sono tanti, talvolta verosimili, talvolta meno. Con l’aggravante della possibile corsa dei preparatori ad omologarsi l’un l’altro, per non restare dietro nella comunicazione di massa: se per alcuni propulsori diventa di moda dichiarare certe quote di picco di kilowatt e newtonmetri, la tendenza per taluni potrebbe essere quella di adeguarsi. Spesso dichiarando numeri che diventa poi tecnicamente difficile, dimostrare che possano essere reali. Condizioni, vetustà, tipologia e manutenzione del banco prova usato da ognuno, umidità e temperature del comburente (aria), sono solo alcuni dei macroaspetti che concorrono alla rilevazione della potenza finale. Anche il ruolo del banco stesso va riconsiderato e lo faremo in un altro articolo. La potenza massima è l’inesorabile prodotto di fattori tecnici incontrovertibili, che il nostro ingegner Giovanni Schipani ci illustra nel dettaglio, con una sapienza che emula quella di un cattedratico e la snellezza e l’intellegibilità del giovane appassionato. Dinamica non rara inoltre, è che un determinato tuner possa cambiare la curva di coppia di un propulsore, quindi l’erogazione, quindi la percezione della potenza e non la potenza effettiva in sé, mostrando dati finali del lavoro che dovranno ovviamente essere mai inferiori a quello di un rivale. Pena la potenziale perdita del cliente, che se non ben sgamato si tirerà l’ego a lucido per aver ricevuto uno stampato con scritte le cifre che giustificano ideologicamente, il grosso investimento economico sopportato. Ovvio che in questo mare magnum di offerte, ci siano molti tuner certamente seri e rigorosi ed altri che potrebbero marciarci un po’. Ad ognuno la sua dimensione, ad ognuno la tacita responsabilità dell’eventuale discrepanza fra quanto dichiara e quanto poi sia possibile ricavare.

La nostra intenzione è segnare il perimetro, con uno specialista, delle effettive capacità potenziali di ogni motore, secondo parametri precisi.

Ing. Giovanni Schipani.

Quell’auto è molto potente. Il preparatore X, a fronte delle scelte tecniche solo a lui note, ha ottenuto Y cavalli da quel motore: nessuno c’era mai riuscito!

Sono stato sui rulli e dopo aver sostituito l’elettronica, ho ottenuto il livello di potenza tanto desiderato. Tutte frasi tipiche nell’ambiente delle corse.

Cavalli, potenza, curve, banchi, rulli, sale prova motori, freni dinamometrici, celle di carico, algoritmi, fattori di correzione, tutto al servizio dei “nostri pesanti HP” e di appassionati preparatori e/o proprietari che, più o meno inconsapevolmente, scelgono di porre fede a tutta una serie di dichiarazioni.

Detto questo, osservato lo scorrere del tempo e mantenendo una chiara obiettività che sarebbe bene caratterizzasse ogni nostro approccio in questo mondo, dovremmo chiederci: esiste un modo trasparente e tangibile per capire quale sia il limite di potenza massima esprimibile da un propulsore? C’è una formula, una relazione, un modo di procedere per scegliere quale strada seguire nello sviluppo di un’unità termica (motore), senza correre il rischio di perdersi dietro a mode, tendenze effimere, false promesse e particolari dichiarazioni? L’Ingegneria Meccanica, soprattutto quella branca oggi nota come Energetica, celebre per aver sfornato tutta una serie di incredibili Macchinisti, se ne occupa da secoli.

Noi proveremo a parlarne con estrema semplicità e spero anche con efficace capacità di sintesi. Prima di farlo, è bene però che si precisi quanto segue:

  • D’ora in poi noi andremo avanti a cavalli (CV), raramente ci riferiremo ai kilowatt (kW): mi rendo perfettamente conto che le norme del SI (Sistema internazionale di unità di misura) ci imporrebbero di ignorare i primi ma, a quel punto, chi lo racconterebbe ai vari Ingegneri Lombardi, Bocchi, Lampredi e Pignone?
  • Le ridotte parti numeriche ed i limitati riferimenti a formule che appariranno in questo articolo, sono espressi seguendo quell’approccio pragmatico, a tratti minimalista ed industriale, che caratterizza la meravigliosa opera: Motori ad alta potenza specifica. Le basi concettuali della tecnica da competizione, scritto da Giacomo A. Pignone ed Ugo R. Vercelli che, personalmente, consiglio ad ogni essere vivente incuriosito dal rasserenante “andare in moto” di un propulsore.

Esiste una formula, la formula della potenza, capace di rispondere con estrema e ineluttabile semplicità, a tutti i quesiti ponderabili in materia.

Tale espressione è di seguito riportata:

In questa relazione compaiono praticamente tutti i termini capaci di determinare la potenza esprimibile da un motore, correlandola anche a parametri geometrici di natura meccanica. Indicheremo con:

  • Wu = potenza massima ottenibile;
  • PME = pressione media effettiva;
  • Z = numero di cilindri;
  • S = superficie pistoni;
  • u = velocità lineare media dei pistoni;
  • T = tempi del motore (2 o 4).

Detto ciò, analizziamo ora singolarmente i suddetti termini, senza però scendere troppo in dettagli di carattere ingegneristico: ognuno di questi infatti, meriterebbe almeno un articolo a sé. Possibilità questa, che mi riservo di sfruttare per pubblicazioni future.

La WU, potenza massima ottenibile, protagonista unica di questi nostri pensieri, è ciò che la nostra unità termica potrà esprimere in relazione al prodotto degli altri termini.

La PME (Pressione Media Effettiva) è il lavoro utile fornito ad ogni ciclo dall’unità di cilindrata. Per lavoro utile si intende il lavoro prodotto durante la fase attiva di ogni ciclo, cioè quando il pistone viene spinto verso il PMI (Punto Morto Inferiore) dall’energia prodotta dalla combustione. Parliamo di fase attiva perché le altre sono fasi passive e l’energia necessaria a sostenerle è fornita dal volano motore (ecco da dove deriva l’importanza estrema della sua massa, nonostante qualcuno ami sostenere che un volano più leggero sia migliore in ogni caso). Dal punto di vista dimensionale quindi, la PME è una pressione  che possiamo misurare in bar, unità di misura che tutti conosciamo. Per il resto invece, in questo caso il termine pressione è ingiustificato.

Di seguito vengono forniti alcuni valori tipici di Pressione Medie Effettive:

  • Un motore aspirato con una PME di 8 bar è un motore con basse sollecitazioni pressorie e modesto riempimento.
  • Un motore aspirato con una PME di 15 bar è un motore con elevate sollecitazioni pressori ed eccellente riempimento: è un motore di Formula 1 aspirato.
  • Un motore con una PME di 60 bar ha estreme sollecitazioni pressorie ed altissime grado di sovralimentazione: è un motore di Formula 1 della penultima epoca dei turbo.
  • Un propulsore Honda “JDM B18C” – Integra Type R ha una PME (dichiarata) superiore ai 12,1 bar.
  • Un propulsore Peugeot “XU9JA” – 205 1.9 GTI vanta una PME (dichiarata) di 10,4 bar.
  • Un’unità termica Peugeot “TU5J2” – Peugeot 1.6 litri, 8 valvole da 103 CV, dichiara invece una PME di 9.8 bar;
  • Un motore motociclistico Yamaha “MT07 A”, MY 2014, vanta una PME max di 10,5 bar.

Noti tutti questi valori, è subito possibile farsi un’idea di quali siano quantomeno i margini di progetto all’interno dei quali muoversi lungo l’elaborazione di un dato propulsore, senza correre il rischio di puntare su risultati numerici poi di fatto inottenibili.

Sul termine Z (numero di cilindri) ci sono poche considerazioni da fare: si tratta soltanto di inserire il numero corretto per il motore che stiamo considerando.

S, cioè la superficie dei pistoni, non è da confondere assolutamente con l’alesaggio. Questo valore corrisponderà all’area del cerchio rappresentata dalla superficie superiore, cerchio avente come diametro la misura esatta dell’alesaggio dell’unità termica in esame. Facciamo un rapidissimo esempio numerico.

Motore “PSA TU5 J4” – Citroen Saxo VTS bialbero, Peugeot 106 Rallye 1.6 16 valvole, etc. – alesaggio = 78,5 mm. Applicando la formula dell’area del cerchio avremo:

Se, sbagliando, avessimo pensato di inserire nella formula il valore dell’alesaggio, piuttosto che quello della superficie del pistone, avremmo comunque ottenuto una misura in mm: anche a livello dimensionale quindi, ce ne saremmo potuti accorgere con facilità (per misurare le aree sono necessari i termini al quadrato: mm^2, cm^2, m^2, ecc ecc). Consideriamo, adesso, l’ultimo termine della nostra equazione, della elegante, pulita, chiara, definita formula della potenza. Il termine:

Come già detto, al numeratore di questa frazione (numero, valore sopra la linea) compare “u”, velocità lineare media dei pistoni; al denominatore (numero, valore al di sotto della linea) compare, invece, “T” (numero di tempi). Su quest’ultimo non c’è molto da dire. In tal caso stiamo facendo riferimento ad un motore a 4 tempi (con una fase utile ogni due giri di albero motore) e quindi inseriremo il valore 4.

Per quanto riguarda la velocità lineare media dei pistoni, in quest’articolo non sarà possibile, definirne precisamente i metodi di calcolo e tutte le interazioni con le restanti caratteristiche meccaniche di un motore. Tuttavia, sarà quantomeno necessario accennare ai limiti progettuali di questo parametro, per arrivare a capire fin dove ci si possa spingere nello sviluppo/elaborazione di un motore termico ma, soprattutto, quale direzione convenga prendere.

Semplificando estremamente il discorso, riflettiamo sul fatto che il pistone, all’interno del cilindro, si muove di moto rettilineo alternato, dal Punto Morto Inferiore al Punto Morto Superiore e da quest’ultimo al primo, invertendo ogni volta il verso del proprio moto grazie alla struttura del manovellismo. Evidentemente, un più alto regime di rotazione (numero di giri dell’albero motore!) incrementerà la velocità lineare media del pistone. Non soltanto gli rpm, però intervengono su questo risultato. Lo “spazio” che il pistone deve percorrere è determinato dalla corsa dell’albero motore, facilmente misurabile “leggendo” la distanza che intercorre tra i due punti morti del motore in esame.

Senza addentrarci in ulteriori calcoli, riportiamo valori tipici di velocità lineari medie dei pistoni di alcuni propulsori “di riferimento” (ricordiamo che tali velocità si esprimono in metri al secondo [m/s]:

  • Ferrari 360 Modena, alesaggio 85 mm, corsa 79 mm, regime di rotazione di potenza massima 8500 rpm, velocità lineare media dei pistoni 22,38 m/s;
  • Alfa Romeo 147 GTA/156 GTA, alesaggio 86 mm, corsa 91 mm, regime di rotazione di potenza massima 6200 rpm, velocità lineare media dei pistoni 18,81 m/s;
  • Peugeot 106 Rallye 1.6 16 valvole, alesaggio 78,5 mm, corsa 82 mm, regime di rotazione di potenza massima 6600 rpm, velocità lineare media dei pistoni 18,04 m/s;
  • Yamaha YZF – R1 MY 1998, alesaggio 74 mm, corsa 58 mm, regime di rotazione di potenza massima 10100 rpm, velocità lineare media dei pistoni 19,53 m/s;
  • Ferrari F1 SF71H, alesaggio 80 mm, corsa 53 mm, regime di rotazione massimo 15000 rpm, velocità lineare media pistoni 26,5 m/s.

Appare subito evidente come il rapporto corsa/alesaggio sia determinante in termini di velocità lineari medie: il motore della Yamaha R1, ad esempio, al ragguardevole regime di rotazione di 10100 rpm ha una velocità lineare media dei pistoni molto più bassa di quelli del motore Ferrari a “soli” 8500 rpm.

La velocità media del pistone è pertanto un chiaro indice di quanto, meccanicamente e fluidodinamicamente, sia esasperato un propulsore. Essa, come potremmo vedere in futuro, è strettamente connessa con le forze di inerzia che generano gravose sollecitazioni sui manovellismi e con le pressioni all’interno del cilindro al termine della fase di aspirazione: non è questo però, il momento per sviscerare tale argomento. Limitiamoci per ora con l’affermare che a parte esperimenti su unità termiche che, progettualmente, richiedono revisioni complete ad intervalli temporali ristrettissimi, ha senso stimare il limite di questa grandezza non oltre i 25 metri al secondo.

A tal proposito, introducendo un confronto di immediata comprensione per molti di voi, 25 m/s, ad esempio, risulta la velocità lineare media di un motore PSA di alesaggio 78,5 mm, corsa 82 mm e che ruota allegramente a 9150 rpm; propulsore che, a 13,5 bar di pressione media effettiva, sarebbe capace di erogare 222,17 cavalli.

Che senso hanno, quindi, tutte queste parole, tutte queste considerazioni?

Beh, un senso chiaro e preciso: la potenza massima erogabile da un motore non dipende, evidentemente, da magie note soltanto a misteriosi negromanti della tecnica motoristica. Non dipende da impenetrabili segreti di lettura di certi “particolari” strumenti di misura. No. Dipende soltanto dal prodotto tra i termini finora espressi, in termini volutamente sintetici.

Tale sintesi ci ha portati a dare per scontata la bontà del nostro motore in termini di rendimenti, efficienze fluidodinamiche, validità progettuali e qualità della messa a punto: date queste condizioni, tutto apparirà numericamente dimostrabile. Nel mondo reale non potranno così esserci divergenze con i risultati ottenuti sperimentalmente, come quelli letti sui banchi prova, ad esempio.

Per concludere, procediamo con qualche rapida ed ulteriore valutazione numerica.

Pensiamo di voler sviluppare un motore con le seguenti misure caratteristiche: alesaggio 78.5 mm, corsa 70 mm, 4 cilindri, cubatura totale di 1355,15 cc e valutiamo differenti “configurazioni” di regime di rotazione di potenza massima e di pressione media effettiva.

Configurazione 1

  • PME 12 bar
  • RPM max 9000;
  • Velocità lineare media corrispondente 21 m/s;
  • Potenza massima ottenibile 165,82 cavalli.

Configurazione 2

  • PME 12,5 bar;
  • RPM max 9000;
  • Velocità lineare media corrispondente 21 m/s;
  • Potenza massima ottenibile 172,73 cavalli.

Configurazione 3

  • PME 13 bar;
  • RPM max 9000;
  • Velocità lineare media corrispondente 21 m/s;
  • Potenza massima ottenibile 179,64 cavalli.

Configurazione 4

  • PME 12 bar;
  • RPM max 9500;
  • Velocità lineare media corrispondente 22,16 m/s;
  • Potenza massima ottenibile 175,04 cavalli.

Configurazione 5

  • PME 12,5 bar;
  • RPM max 9500;
  • Velocità lineare media corrispondente 22,16 m/s;
  • Potenza massima ottenibile 182,33 cavalli.

Configurazione 6

  • PME 13 bar;
  • RPM max 9500;
  • Velocità lineare media corrispondente 22,16 m/s;
  • Potenza massima ottenibile 189,62 cavalli.

Infine, ammettendo la capacità di lavorare con una struttura della distribuzione in grado di gestire elevatissimi regimi di rotazione e dando per scontate (a questi livelli, però, di scontato non c’è davvero nulla) tutta una serie di bontà fluidodinamiche, tale propulsore (soltanto immaginato), con una PME di 13 bar, a 10750 giri/minuto (25 m/s di velocità lineare media) potrebbe idealmente raggiungere la ragguardevole potenza di 214,57 cavalli! Un dato di assoluto livello per un’unità inferiore ai 1400 cc.

Colpito dalla vostra passione e dalla forza dei vostri sacrifici, con affetto porgo un caro saluto ad ognuno di voi.

Introduzione di Francesco Romeo
Articolo del Dr.Giovanni Schipani
Dottore in Ingegneria Meccanica
Specializzando in Ingegneria Energetica

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