Esaminiamo in questo articolo il rapporto di compressione del motore del Maggiolino.
Quando si parla di rapporto di compressione si intende indicare il rapporto tra il volume esistente al di sopra del pistone al P.M.I. (punto morto inferiore) e quello che rimane al P.M.S. (punto morto superiore).
Va detto, comunque, che il numero ottenuto esprime un valore teorico, in quanto il pistone, nella sua corsa verso il P.M.I. durante la fase di aspirazione, quasi mai riesce, per vari motivi, ad aspirare un volume pari alla cilindrata unitaria, per cui il rapporto effettivo viene a essere sempre inferiore a quello teorico (detto anche geometrico).
Senza addentrarci troppo in discorsi complicati che interesserebbero una esigua minoranza dei lettori, diremo subito che tanto più alto è il rapporto di compressione, tanto maggiore sarà l’efficienza del motore.
Un rapporto di compressione alto, infatti, consente di ottenere potenze più elevate (soprattutto ai bassi regimi) e migliori consumi.
Come è facilmente intuibile, però, il rapporto di compressione non è innalzabile a piacimento: il limite è determinato dalla temperatura a cui si viene a trovare la miscela aria/benzina nella camera di scoppio quando il pistone è al P.M.S.
Oltre un certo valore di temperatura, infatti, la combustione (che è un’espansione velocissima ma progressiva dei gas) si trasforma in detonazione, che è una vera e proprie esplosione dei gas. Ciò produce sul cielo del pistone una sollecitazione simile a quella di un potente colpo di martello. Il fenomeno della detonazione, se trascurato, procura in breve tempo seri danni al motore, al limite anche bucature del cielo del pistone.
I carburanti attuali detonano a partire da 530°-550°C. La temperatura misurabile “sotto candela” in un motore di serie del Maggiolino varia dai 270°C ai 350°C a seconda delle condizioni di carico del motore e della stagione.
È ovvio che una parte di questa temperatura viene trasmessa alla miscela a/b, che entrando fresca nella camera di scoppio, asporta calore dalle sue pareti; l’effetto della compressione, poi, porterà la temperatura dei gas anche ben oltre i 400°C. Se si pensa che una variazione del rapporto di compressione di due punti (ad esempio da 7:1 a 9:1) porta ad un incremento della temperatura dei gas di circa 50°, si capisce subito che non c’è molto margine per innalzare questo rapporto, infatti una miscela a/b a temperatura più elevata tenderà a far salire anche la temperatura delle pareti della camera di scoppio, che avrà così più calore da smaltire attraverso la carica fresca, dando vita ad un circolo vizioso che raggiungerà un suo equilibrio dopo che la temperatura sarà aumentata magari di 60° o 70°C, facendo pericolosamente avvicinare la temperatura dei gas al P.M.S. ai fatidici 530°C, considerati come limite massimo. A questo punto molti si chiederanno perché un rapporto di compressione di 9:1, che è la norma, per non dire il minimo, su una vettura moderna, è già un valore critico per il Maggiolino. La risposta è che il rapporto di compressione non è l’unico fattore che determina l’insorgere della detonazione; come abbiamo già visto anche la temperatura di lavoro del motore (e qui centra anche il raffreddamento ad aria) ha la sua importanza. E non è tutto: il ritardo di chiusura delle valvole di aspirazione (e quindi le caratteristiche dell’albero a camme), l’anticipo di accensione, la forma della camera di scoppio, l’accuratezza della carburazione sono altri fattori che intervengono nel determinare la detonazione. Analizzeremo brevemente come intervengono quindi tutti questi fattori.
ALBERO A CAMME
Con angolo di ritardo di chiusura si intende definire l’angolo di rotazione dell’albero motore durante il quale la valvola di aspirazione rimane aperta oltre il P.M.I. Per migliorare il riempimento agli alti regimi di rotazione, infatti, si ricorre ad alberi a camme molto “spinti”, cioè che prevedono un ritardo di chiusura della valvola di aspirazione (e anche un anticipo di apertura della valvola di scarico) notevoli. Questa necessità è data dal fatto che il tempo a disposizione dei gas esausti per evacuare dalla camera di scoppio e quello a disposizione dei gas freschi per entrare è, agli alti regimi, davvero scarso. Allungando il periodo di apertura delle valvole si migliora la respirazione del motore. Questo però fa sì che quando il pistone sale verso il P.M.S. per comprimere la carica fresca, per una parte della sua corsa, essendoci le valvole aperte, non comprime nulla. Da qui si deduce che più l’albero a camme è spinto, più si può alzare il rapporto di compressione geometrico, che, alla luce di quanto detto, sarà ben più alto di quello reale. Tanto per avere un ordine di grandezza diremo che l’angolo di incrocio della maggior parte delle auto di serie è sui 30°, mentre per il maggiolino è di un grado(!)
ANTICIPO DI ACCENSIONE
Parlando di anticipo di accensione si indica l’anticipo con cui scocca la scintilla prima che il pistone abbia raggiunto il P.M.S. La necessità di disporre di questo anticipo è data dal fatto che si vuole che l’espansione dei gas sia al culmine quando il pistone abbia appena superato il P.M.S. Per ottenere questo, essendo necessario un certo tempo ai gas per espandersi, si deve far scoccare la scintilla in anticipo. Se si esagera con questo anticipo si otterrà che il momento di massima pressione dei gas sul cielo del pistone avverrà quando il pistone sta ancora salendo, dando luogo alla detonazione.
CAMERA DI SCOPPIO
La forma della camera di scoppio del motore del Maggiolino è ben lontana dall’essere l’ideale ai fini del permettere un alto rapporto di compressione. D’altro canto lo scopo utilitario per cui è nata la nostra auto è proprio in antitesi con la ricerca delle elevate prestazioni. Il problema principale è che la particolare conformazione della camera di scoppio inibisce il rapido avanzamento del fronte di fiamma e favorisce il formarsi di sacche di miscela magra che portano presto alla detonazione. A questo proposito facciamo presente che per migliorare notevolmente questo aspetto ci sono delle apposite lavorazioni da apportare alla testa, che necessitano di speciali attrezzi, e che rendono le camere di scoppio emisferiche.
CARBURAZIONE
La carburazione magra porta alla detonazione, in quanto una miscela povera di benzina ha un basso potere antidetonante. I sofisticati impianti di iniezione delle auto dell’ultima generazione consentono dosaggi ben più precisi di quelli ottenibili con il carburatore del Maggiolino.
Articolo scritto da Alberto Mauri e pubblicato sul NEWS numero 43