Rubrica: Curiosità della tecnica da corsa

Titolo o argomento: Il regolamento e le limitazioni evolutive della F1

Se immaginiamo la Formula Uno come un’arena, i piloti come gladiatori e le vetture più performanti al mondo come delle belve affamate di asfalto, è facile immaginare quanto i regolamenti possano influenzare lo spettacolo ed il gradimento degli spettatori. Operando variazioni regolamentari è possibile mescolare le carte in tavola e ribaltare situazioni favorevoli per taluni team e sfavorevoli per altri. La ricerca del soddisfacimento degli spettatori, che alimentano un business miliardario, pone quindi in evidenza la questione di effettuare opportune variazioni regolamentari affinché ogni team si dedichi a trovare la soluzione migliore ad ogni problema nel minor tempo possibile. Gli effetti riscontrati sono ottimi soprattutto se si pensa che il pubblico, rassegnato nel vedere meno spettacolo che in passato, segue comunque le gare con la curiosità di sapere chi riuscirà a prevalere sugli avversari. La Formula Uno comunque, a differenza degli spettacoli dell’antica Roma, è una realtà civilizzata ed oltremodo evoluta ragione per cui non tutti i divieti, e le limitazioni subentrate dal 1948 (anno di nascita della massima categoria automobilistica), sono stati sviluppati per ribaltare situazioni di possibile monotonia, bensì anche per conferire la priorità ad un tema risultato dominante in particolar modo dopo i tragici incidenti degli anni ‘60, la sicurezza. Le pagine dei regolamenti di decenni di stagioni di Formula Uno sono colme di voci che normalizzano la realizzazione di ogni singola parte della vettura in funzione della sicurezza che ne deriva per il pilota (e per gli spettatori presenti sulle tribune). Al contrario le pagine degli annuari di analisi tecnica delle monoposto sono colme di nostalgiche immagini di soluzioni ingegneristiche di rilievo puntualmente limitate o abolite. Questo perchè la FIA, in seguito all’enorme esperienza maturata, definisce “costruzione pericolosa” una monoposto in grado di raggiungere eccessive velocità di percorrenza in curva. Nonostante i tracciati più moderni degli ultimi anni siano caratterizzati da grandi vie di fuga, chi regolamenta il circus deve tener conto della presenza, in calendario, di tracciati con scarse, se non assenti, vie di fuga. Prima degli anni ‘60 il regolamento della Formula Uno si basava su due soli canoni, regolamentare la costruzione delle monoposto sia a vantaggio della tecnica, per stimolare la ricerca di nuove soluzioni, sia a vantaggio dello sport, cercando di offrire ai piloti mezzi il più possibile equivalenti. Solo in seguito il regolamento incontrò una espansione via via crescente delle norme ponendo una rigorosa attenzione nel definire e limitare ogni minimo dettaglio che potesse influenzare il limite delle prestazioni e, di conseguenza, la sicurezza. Oggi il regolamento della F1 si basa su molti più temi che in passato. Il primo, neanche a dirlo, è proprio il tema della sicurezza seguito dall’imparzialità, la conservazione dei nomi storici (squadre, costruttori, aziende coinvolte), la riduzione dei costi ed il divertimento da assicurare al pubblico. Vediamo di seguito alcuni esempi storici di divieti nati in seguito a clamorose evoluzioni tecniche.

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Dietro le limitazioni evolutive della F1
Dietro le limitazioni evolutive della F1 - Parte seconda (in preparazione)

Attenzione: la versione integrale del mio articolo relativo al regolamento ed alle limitazioni evolutive della F1, è stata pubblicata sulla rivista di divulgazione scientifica Newton (numero di Aprile 2012) il cui sito web è: www.newtonline.it. Chi desidera ordinare un numero arretrato può contattare il servizio abbonamenti di Newton al numero: 02-76391923.

Newton Cover 04/12. Image’s copyright: Ri.Do Servizi Editorali.

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Rubrica: Eventi

Titolo o argomento: Fia Truck Racing Championship

Motrici dalla mole impressionante dotate di motori oltraggiosi, si sfidano senza riserve nel campionato Fia Truck Racing Championship. Con una massa pari a 5,5 tonnellate (di cui 3,3 scaricate all’avantreno), una cilindrata di 13.000 centimetri cubici e potenze prossime ai 1.200 cavalli, questi “bisonti da corsa” al loro passaggio fanno letteralmente tremare il tracciato, le tribune e la vostra gabbia toracica. La partenza è un momento a dir poco sconcertante, si tratta di una partenza lanciata dove è vietato sorpassarsi prima della linea del traguardo. Passata la linea la gara ha inizio, venti motrici affamate di asfalto aprono il gas a manetta, il rombo è da brivido e la sua consistenza massima è avvertibile unicamente al primo giro ove il gruppo è compatto. Assolutamente da non perdere. I piloti dei truck si impegnano ad affrontare le curve del circuito senza risparmiare i propri mezzi e le opportunità di attacco che frequentemente si traducono in azioni spettacolari al limite del ragionevole. Osservare, sentire, percepire due motrici da 1.200 cavalli arrivare insieme alla staccata del rettilineo dei box a 160 km/h (velocità massima consentita per regolamento) per poi frenare violentemente innescando fumate furibonde e rumori sinistri, va al di là di ogni immaginazione… deve essere visto con i propri occhi e sentito con le proprie orecchie ed il proprio corpo. Sembra quasi di vedere due palazzi che si affiancano e si sfiorano, alle volte si toccano o sbattono letteralmente, entrando in curva insieme. Assurdo! Ed è quando il retrotreno cede la presa a terra, e si scompone, che si rimane a dir poco sbalorditi nell’osservare simili bestioni riprodursi in traversi controllati sotto la guida magistrale dei loro esperti piloti mente le gomme supplicano, fumano, fischiano con quel suono cupo e terrificante che sa di perdita di controllo e disastro imminente. Invece no, alla curva successiva sono di nuovo affiancati con parti di carrozzeria spenzolanti pronte a staccarsi di lì a poco. Inizia un nuovo rettilineo, i piloti aprono il gas, il sibilo del turbo è inconfondibile, le ruote motrici pattinano e le 5,5 tonnellate accelerano con straordinaria disinvoltura grazie ai 5600 Nm di coppia massima espressi dai poderosi motori. Attenzione però, il regolamento è molto chiaro e al contempo severo, è vietato emettere fumo nero dagli scarichi, pena la squalifica o severe penalità. Quando i primi prendono margine, i piloti che seguono non si perdono d’animo ed il livello rimane alto. Nel tentativo di recupero alcuni piloti prendono rischi via via maggiori fino a mettere “alcune” ruote sull’erba alzando spettacolari nuvoloni di polvere in frenata o arrivando a girarsi completamente con straordinari testacoda. Per fortuna siamo in pista, la sicurezza è massima, un’uscita o una sbandata di troppo hanno come unici effetti grandi fumate delle gomme che prima si abradono bloccate sull’asfalto e poi sollevano grandi quantità di polvere non appena superato il confine con la terra o la ghiaia delle vie di fuga. ABS, controlli di trazione e di stabilità sono vietati per regolamento, tutto è nelle mani esperte dei piloti, anche il cambio delle marce non ha alcuna assistenza elettronica ed è completamente manuale. Nella scheda che segue riportiamo i dati di uno dei mezzi che ha preso parte alla competizione.

Scheda

Ciclo motore: diesel
Tipo: 6 cilindri in linea
Posizione: centrale
Alesaggio: 131 mm
Corsa: 158 mm
Cilindrata: 12,8 litri
Massa motore: 1140 kg
Valvole per cilindro: 4
Sistema di iniezione: iniettori pompa elettronici
Potenza massima: 1160 cavalli
Coppia: 5600 Nm
Regime massimo: 2600 giri/min
Cambio manuale: 16 rapporti
Velocità: 160 km/h (velocità autorizzata in gara)
ABS: non consentito
TC: non consentito
ESP: non consentito
Telaio: rinforzato su specifiche FIA per il miglioramento dell’handling
Freni: dischi anteriori e posteriori, 1 pinza per ruota
Sistema frenante: a comando pneumatico con raffreddamento dischi a nebulizzazione d’acqua
Cabina: in acciaio, derivata da quella di serie
Equipaggiamento cabina: telaio di sicurezza, reti di protezione, sedili avvolgenti con cintura, interruttore di circuito, estintore.
Massa veicolo: 5500 kg

Galleria fotografica

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Rubrica: Motorismo

Titolo o argomento: Soluzione “coltello e forchetta” per le bielle dei motori a V

Nonostante sulla quasi totalità dei motori ad elevate prestazioni, con schema a V, sia adottata la soluzione che prevede, per ogni perno di biella, una coppia di bielle affiancate (confluenti quindi sulla stessa manovella), risulta di particolare interesse tecnico osservare anche la soluzione “Fork and Blade” ovvero la soluzione delle bielle a “coltello e forchetta”.

Influenza sulla lunghezza del motore

Se da un lato le bielle tradizionali presentano il vantaggio di un disegno semplice che permette di realizzarle con processi produttivi altrettanto semplici e costi relativamente contenuti, dall’altro però impongono uno sfalsamento dei cilindri delle due bancate pari alla larghezza di una testa di biella. Il motore risulta pertanto più lungo e tale condizione può causare non pochi problemi in taluni progetti. Nei motori dotati di bielle a “coltello e forchetta” ciò non si verifica e le due bancate sono perfettamente simmetriche grazie alla sovrapposizione della testa di biella a forchetta sulla testa di biella a coltello che porta gli assi verticali delle bielle sullo stesso piano.

Gli attriti

Altro aspetto fondamentale da notare riguarda gli attriti. L’esperienza di decenni di motorismo insegna che conviene far lavorare il cuscinetto con la massima possibile forza media, cioè conviene far lavorare in modo alterno le forze provenienti dalle due bielle sullo stesso cuscinetto anziché scaricarle su due cuscinetti indipendenti. Questo significa che la soluzione “Fork and Blade” risulta favorita, sotto questo punto di vista, dalla presenza di un singolo cuscinetto.

La geometria e la massa

Infine è opportuno tener conto degli aspetti legati alla geometria delle due soluzioni, la biella a forchetta, presenta una geometria più complessa rispetto alla biella a coltello (o alla biella di tipo tradizionale), la sua particolare conformazione a forchetta pecca per la tendenza ad allargare o stringere le gambe. Tale fenomeno pregiudica l’affidabilità dell’imbiellaggio ed il problema viene corretto mediante l’adozione di un apposito vincolo, tipo incastro, atto a ridurre i momenti flettenti. Anche la massa della soluzione “Fork and Blade” risulta leggermente più elevata rispetto a quella di una comune coppia di bielle. Le ovvie conseguenze hanno effetti che si ripercuotono sul regime di rotazione raggiungibile e sulla necessità di  dotare l’albero a gomiti di contrappesi adeguati i quali aumentano, di conseguenza, anche la massa dell’albero stesso.

Coppia di bielle Fork e Blade - Vista dal basso
Gli scatti sono stati eseguiti nello studio fotografico del nostro lab.
Image’s copyright: www.ralph-dte.eu | www.scuderie-rbc.it

Coppia di bielle Fork e Blade - Vista laterale
Gli scatti sono stati eseguiti nello studio fotografico del nostro lab.
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Rubrica: Motorismo

Titolo o argomento: La frattura dei cappelli di biella

Fino a qualche anno fa le bielle delle normali vetture stradali presentavano la superficie di contatto, tra il cappello di biella e la semitesta di biella, perfettamente liscia. Questo perchè il processo produttivo di una biella, destinata ad un motore 4 tempi, prevede che inizialmente essa venga realizzata in un sol pezzo e, in un secondo momento, il cappello venga separato mediante lavorazioni per asportazione di trucioli. Le superfici di contatto vengono poi lavorate al fine di ottenere un ottima finitura superficiale. Ciò permette di garantire un contatto ottimale tra le due parti nel momento in cui vengono serrate le viti.

Il problema di questa soluzione, però, risiede principalmente nel fatto che, dopo un buon numero di chilometri percorsi (200.000-300.000), il foro ottenuto tra il cappello di biella e la semitesta di biella, si ovalizza. Generalmente si misura un diametro maggiore sull’asse orizzontale del foro rispetto al diametro misurato sull’asse verticale. La rotazione della testa di biella (durante il ciclo di funzionamento del motore) imprime una sollecitazione alle viti (taglio e flessione) ed al cappello (flessione) il quale tende a traslare rispetto alla sua corretta posizione. Il ripetuto tentativo di movimento dalla posizione d’origine porta uno stress nelle fibre del materiale che tendono a cedere allungandosi in direzione dello sforzo. Ne derivano ovvi problemi di affidabilità del motore a seguito del mancato rispetto delle tolleranze di accoppiamento tra la biella ed il perno di biella presente sull’albero motore. Anche il velo d’olio non si forma più in modo omogeneo e le bronzine non riescono a lavorare correttamente andando a deformarsi ed accusando una lubrificazione irregolare laddove il diametro è aumentato.

Un’interessante soluzione, volta ad evitare simili problemi,  prevede che le bielle vengano ottenute comunque in un sol pezzo ma con la fondamentale differenza che il cappello, invece di essere separato per asportazione di trucioli, viene ottenuto per frattura. Fratturare il cappello di biella produce una superficie rugosa piuttosto regolare (a patto che il materiale utilizzato lo permetta), questa è in grado di assicurare in modo “solido” il contatto tra cappello di biella e semitesta di biella. A mano, senza avvitare le viti, è possibile constatare come il cappello di biella, anche solo con una leggera pressione delle mani, non tenda assolutamente a muoversi dalla sua posizione. Ovviamente ogni cappello di biella può essere montato solo sulla sua specifica biella e solo nel verso in cui è stato fratturato. In sostanza ogni cappello è diverso dall’altro. I vantaggi riscontrati sono l’assenza di fenomeni di ovalizzazione anche dopo un abbondante numero di chilometri percorsi, e l’inutilità di dotare le bronzine di appositi fermi che le mantengano in posizione corretta. La procedura di frattura consiste nell’incidere il punto di frattura desiderato sulla biella (costituita ancora da un sol pezzo), dopodiché si separa idraulicamente il cappello della biella adoperando pezzi sagomati semirotondi i quali vengono pressati nel foro della testa di biella.

Il metodo della frattura, a differenza di quanto si possa pensare, non viene adottato solo sulle bielle in ghisa sferoidale, bensì anche sulle bielle in acciaio ottenute per sinterizzazione* o per sinterforgiatura. Non è invece praticabile su bielle in acciaio forgiato per stampaggio in quanto la frattura produrrebbe schegge decisamente pericolose e inaffidabili. Le bielle sinterizzate hanno proprietà meccaniche migliori rispetto alle bielle forgiate per stampaggio, di conseguenza il dimensionamento può essere meno generoso e di conseguenza anche la loro massa.

*Si tratta di bielle ottenute in polvere d’acciaio legato come pezzo fucinato sinterizzato.

Nell’immagine sopra le viti del cappello di biella sono volutamente svitate per far notare l’andamento
irregolare della superficie di contatto tra semitesta di biella ed il cappello di biella. Con il cappello
perfettamente serrato risulta persino difficoltoso individuare la giunzione e la biella sembra realizzata
in un sol pezzo. E’ proprio la rugosità data dalla frattura a garantire una tenuta perfetta.
Gli scatti sono stati eseguiti nello studio fotografico del nostro lab.
Image’s copyright: www.ralph-dte.eu - www.scuderie-rbc.it

La biella smontata mostra la superficie di contatto irregolare della semitesta di biella
e del cappello di biella. La biella, dapprima ottenuta in un sol pezzo, viene divisa dal suo
cappello idraulicamente mediante dei pezzi semirotondi pressati nel foro della biella stessa.
Gli scatti sono stati eseguiti nello studio fotografico del nostro lab.
Image’s copyright: www.ralph-dte.eu - www.scuderie-rbc.it

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Rubrica: Automotive alternativo

Titolo o argomento: Downsizing e upsizing motoristico

Con il termine “downsizing motoristico” si esprime la tendenza dei progettisti a ridurre la cilindrata di un motore, in modo più o meno marcato, cercando di mantenerne invariate le prestazioni. Questa pratica ha riscosso successo per i motori con architettura a 4 tempi i quali, quando funzionano con carichi parziali (ossia durante la maggior parte del tempo d’utilizzo), soffrono di notevoli perdite legate anche alla presenza della farfalla, con conseguente calo del rendimento complessivo. La stessa cosa però non avviene nei motori 2 tempi. Gli ingegneri Lotus, infatti, fanno notare come il motore 2 tempi non soffra di significative perdite ai carichi parziali e come questa caratteristica sia molto favorevole all’uso automobilistico. Per questa fondamentale ragione il motore 2 tempi è libero di essere dimensionato in modo tale da ottimizzare i consumi per la marcia a carico parziale. Il downsizing in tal caso non è più una pratica essenziale ma, al contrario, vista la migliore efficienza ottenuta e le minori emissioni inquinanti prodotte ai carichi medio bassi da Lotus Omnivore, si pensa addirittura ad un approccio di “upsizing motoristico” con il fine di incrementare ulteriormente l’efficienza. Il lavoro futuro di Lotus si concentrerà su ulteriori analisi del funzionamento del motore Omnivore in particolar modo alimentandolo con benzina, etanolo e metanolo.

Se siete “smanettoni” e volete visionare e provare un’animazione interattiva del motore, cliccate sulla voce indicata più avanti e si aprirà una interessante applicazione in una nuova finestra (Attenzione! Il diritto d’autore dell’applicazione appartiene a Lotus Cars). Una volta premuto il tasto START e letta la nota introduttiva, potete premere OK e cliccare sul tasto d’accensione del motore. Il motore si avvia, ora potete impostare il carico (e quindi l’azione sull’acceleratore), la velocità del motore ed il tipo di alimentazione. Al lato sinistro delle voci “Trapping” e “VCR” è presente un semplice comando di zoom, cliccandovi sopra potete osservare agevolmente un primo piano del funzionamento della valvola di intrappolamento e della camera di combustione. Per vederle muovere entrambe agite sulla regolazione della velocità e del carico del motore. Operando delle variazioni di carico potrete osservare quando la candela entra in funzione e quando si disattiva. Infine, spegnendo il motore, avrete modo di operare variazioni manuali della valvola di intrappolamento e del rapporto geometrico di compressione, inoltre potrete muovere lentamente il motore.

Animazione interattiva Lotus Omnivore

Attenzione! Il diritto d’autore dell’applicazione appartiene a Lotus cars.

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Immagine del prototipo Lotus Omnivore. Si nota la costruzione semplificata per fini di ricerca.
Image’s copyright: Lotus cars

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Rubrica: Automotive alternativo

Titolo o argomento: Peculiarità dell’architettura 2 tempi di Lotus Omnivore

Architettura

Il motore Lotus Omnivore si basa su un’architettura 2 tempi abbinata ad una camera di combustione a geometria variabile (sistema denominato VCR: Variable Compression Ratio) che può essere sollevata od abbassata, riducendo o aumentando il rapporto geometrico di compressione, a seconda delle condizioni di utilizzo del motore e del carburante che lo alimenta. Una moltitudine di test sono stati condotti su rapporti geometrici di compressione compresi tra 10:1 e 40:1 (in caso di necessità possono essere effettuate ulteriori variazioni). Modificare il rapporto geometrico di compressione permette di ottimizzare l’efficienza della combustione ed operare un controllo sul processo stesso di combustione massimizzando il range di autoaccensione. Il movimento della camera di combustione è controllato dall’EMS (Engine Managment System) e attuato da due alberi eccentrici. Una valvola di intrappolamento della carica, posta allo scarico, permette di variare in modo continuo l’apertura della luce di scarico e di dar luogo a fasature asimmetriche.

Valvola di intrappolamento

La valvola è azionata dal motore mediante un eccentrico ed un semplice sistema di leve, essa inoltre è controllata dall’EMS che apporta opportune correzioni al variare del regime di rotazione. La fasatura della valvola allo scarico è progettata in modo tale che l’apertura della luce di scarico sia pressoché massima quando l’eccentrico si trova al punto morto in posizione completamente sollevata (in questo istante il pistone ha quasi raggiunto il punto morto inferiore). Quando il cielo del pistone ha completamente scoperto la luce di scarico (il pistone ha quindi raggiunto il punto morto inferiore) e sta per iniziare la sua risalita, la fasatura permette alla valvola di scarico di rimanere aperta ancora alcuni istanti evitando restrizioni durante l’effetto blow down. Una volta che il pistone ha superato il punto morto inferiore ed inizia la sua risalita, la valvola si appresta a chiudersi ostruendo il passaggio alla carica fresca ed evitando quindi il noto e dispendioso travaso allo scarico classico del 2 tempi. A mano a mano che il pistone risale la valvola allo scarico continua la sua discesa sino a chiudersi completamente. Essendovi nel 2 tempi una fase utile ad ogni giro di manovella, il ciclo comincia nuovamente. La valvola di intrappolamento può essere utilizzata per migliorare l’intrappolamento della carica fresca, così come può essere adoperata per trattenere una parte dei gas combusti nel cilindro al fine di controllare l’auto-accensione o per ridurre l’emissione di NOx.

Accensione

La candela entra in funzione per l’avvio del motore a freddo o durante l’utilizzo con grandi carichi (e quindi ampie percentuali di apertura della farfalla, indicativamente maggiori o uguali all’80% c.a.), diversamente la combustione è ottenuta mediante accensione per compressione della carica omogenea (H.C.C.I.).

Fuel mix

A confronto con la benzina, i carburanti alcolici hanno un’elevata resistenza alla detonazione e permettono di massimizzare il rendimento termico solo in presenza di alti rapporti di compressione. E’ chiaro che un ordinario motore a combustione interna 4 tempi, con rapporto di compressione fisso, per poter bruciare più combustibili, deve giungere a compromessi sull’efficienza termica per evitare dannose detonazioni durante il funzionamento a benzina. Il sistema VCR (Variable Compression Ratio) di Lotus Omnivore permette di utilizzare diversi carburanti ottenendo sempre la massima efficienza termica senza bisogno di cambiare componenti all’interno del motore.

Iniezione

L’iniezione elettronica diretta completa e soddisfa egregiamente le necessità cui va incontro un simile motore. Lotus Omnivore utilizza il sistema di iniezione Orbital FlexDI il quale produce in modo ottimale la carica da bruciare indipendentemente dal tipo di combustibile adottato e favorisce l’efficienza della combustione anche all’avvio del motore a freddo. Il sistema di iniezione Orbital FlexDI è inoltre adatto per operare un controllo avanzato sull’accensione per compressione della carica omogenea (H.C.C.I.).

Struttura

Lotus Omnivore è costituito da una struttura monoblocco che rende cilindri e testata un unico corpo. Questa caratteristica evita l’utilizzo di una guarnizione della testa, aumenta la rigidezza dell’intero corpo motore, migliora l’affidabilità e la durata e ne riduce la massa (altro fattore che partecipa alla riduzione dei consumi).

Perchè 2 tempi?

Questo tipo di soluzione non è attualmente realizzabile su un motore 4 tempi (e quindi su un motore dotato di valvole a fungo) in modo affidabile ed economico; ciò significa che i tradizionali motori automobilistici non possono ancora essere ottimizzati per il funzionamento con differenti combustibili che necessitano di differenti condizioni all’interno della camera di combustione. La variabilità della posizione della camera di combustione è possibile grazie all’assenza delle valvole a fungo; questo motivo, assieme alla migliore resa durante i carichi parziali, ha privilegiato la scelta di una soluzione due tempi, piuttosto che quattro, per la realizzazione di Lotus Omnivore.

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Dettaglio camera di combustione di Lotus Omnivore. In sezione si notano gli elementi di tenuta.
Image’s copyright: Lotus cars

Dettaglio valvola di intrappolamento, eccentrico e leveraggi di Lotus Omnivore.
Image’s copyright: Lotus cars

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Rubrica: Automotive alternativo

Titolo o argomento: Lotus Omnivore

Avevano dato per finito il motore 2 tempi, avevano persino affermato che il passaggio al 4 tempi nelle competizioni motociclistiche era motivato dalla necessità di ridurre i costi (???), asserivano che si era raggiunto il massimo sviluppo e che si trattava di una soluzione altamente inquinante (errata la prima affermazione, vera la seconda solo per i motori 2 tempi privi di iniezione elettronica diretta), ma qualcuno, saggiamente, ci ha creduto ed ha portato avanti la propria ricerca. Nomi come Athena, KTM e, a sorpresa, la prestigiosa casa automobilistica Lotus, hanno continuato la ricerca consci degli indiscussi vantaggi che questa soluzione può offrire per diverse applicazioni. La Lotus, in particolar modo, ha puntato sulla possibilità di ottenere particolari disegni e conformazioni delle camere di combustione le quali, essendo prive di valvole, offrono grande libertà ai progettisti.

Lotus Omnivore è un innovativo motore “due tempi onnivoro” a iniezione diretta, carica omogenea e accensione per compressione (H.C.C.I. - Homogeneous Charge Compression Ignition). Esso può essere alimentato a benzina, gasolio o con carburanti alcolici quali l’etanolo. Questa particolare caratteristica è resa possibile dall’adozione di una sofisticata camera di combustione a geometria variabile. Tale camera può essere sollevata o abbassata da un apposito azionamento elettromeccanico. La chiusura stagna della camera di combustione è assicurata da appositi elementi di tenuta, posti sul corpo semovibile, molto simili a quelli dei pistoni. Lotus Omnivore offre una riduzione dei consumi del 10% rispetto ai più moderni motori a iniezione diretta a carica stratificata. Le ricerche effettuate su questo motore lasciano adito al pensiero di un possibile cambio di paradigma circa le cilindrate ottimali da impiegare per ottenere la migliore economia di marcia. Pare infatti che con Lotus Omnivore si ottenga un risparmio di carburante incrementando la cilindrata (upsizing motoristico); ovviamente vi sarà un limite, sorpassato il quale, i consumi torneranno ad aumentare.

La prima fase di sperimentazione della camera di combustione a geometria variabile di Lotus Omnivore è stata completata con successo utilizzando normale benzina. Oltre agli interessanti risultati circa il ridotto consumo di carburante, si è potuto osservare come la formazione di una carica omogenea permetta l’accensione della miscela comburente-combustibile per compressione, quindi senza l’ausilio della candela, per carichi estremamente leggeri ma lungo un campo operativo del motore piuttosto esteso (anche durante un avvio a freddo). La ricerca ha puntato principalmente sull’utilizzo del motore in basso e con carichi variabili, ovvero simulando la tipica situazione del ciclo urbano. A 2000 giri al minuto e fino a circa 2,7 bar di pressione media indicata effettiva, il consumo specifico di carburante è risultato essere inferiore del 10% rispetto ai più moderni motori a iniezione diretta a carica stratificata ed autoconfinamento dello spray. Le emissioni riscontrate hanno offerto un interessante valore di 20 ppm di ossidi di azoto (a meno di 2,3 bar di carico) e valori equivalenti ai migliori propulsori quattro tempi di emissioni di idrocarburi incombusti e monossido di carbonio.

Tali test sono il preludio dello sviluppo di nuovi motori onnivori, con rapporto di compressione variabile in modo continuo, multi-cilindro, più efficienti, destinati prevalentemente alle vetture di segmento C e D. I benefici si traducono nel basso costo di realizzazione, nel minore ingombro che potrà sicuramente lasciar spazio a soluzioni ibride, nel risparmio di carburante, nella conseguente riduzione delle emissioni inquinanti e nello stimolo ad utilizzare in modo efficiente combustibili alternativi.

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Schema motore Lotus Omnivore
Image’s copyright: Lotus cars

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Rubrica: Motorismo

Titolo o argomento: Schede tecniche dei motori L537 ed L539 a confronto

Questo articolo segue dai precedenti indicati di seguito:
Dal motore L537 della Lamborghini Murcielago LP640 al… - Parte prima
Dal motore L537 della Lamborghini Murcielago LP640 al… - Parte seconda
Dal motore L537 della Lamborghini Murcielago LP640 al… - Parte terza
Dal motore L537 della Lamborghini Murcielago LP640 al… - Parte quarta

Nelle schede che presentiamo di seguito abbiamo riportato una quantità di dati minima (solo quelli ritenuti essenziali per i commenti e le valutazioni presenti nei 5 articoli scritti in proposito), nonostante ciò è possibile osservare quanti dati importanti vi siano al di là dei valori tipicamente ricercati dalla normale utenza (generalmente velocità, potenza e coppia, in casi meno frequenti anche la massa del veicolo). Dai dati che si celano all’interno di un motore è possibile risalire alla bontà di un progetto. Motori con elevate potenze possono essere dei veri gioielli di ingegneria così come possono essere un insieme di soluzioni tampone (di cui, chiunque non sia un motorista, non saprà mai nulla) atte a raggiungere uno scopo a scapito di altri parametri di notevole importanza tecnica. E’ evidente pertanto come l’ordinaria valutazione di un veicolo, solitamente operata in base all’estetica o agli accessori di cui è dotato, risulti essere assai limitativa. Molti ingegneri del settore mi raccontano come il cliente raramente sia a conoscenza delle particolarità tecniche di un veicolo prestazionale. Sfido io bonariamente la maggior parte dei proprietari di supercar a descrivere le particolarità tecniche del proprio veicolo. Sarà molto probabile che ad una vostra domanda sul bolide otteniate risposte inerenti i numeri dei cavalli, della velocità raggiunta e dello 0-100 km/h, ma nessuna informazione circa peculiarità e compromessi di motore e trasmissione o circa l’handling del veicolo in pista.

Scheda L537

Tipo: V12 - 60°, closed deck, MPI
Iniezione indiretta
Ordine di accensione: 1-7-4-10-2-8-6-12-3-9-5-11
Albero motore montato su 7 supporti
Cilindrata: 6.496 cc
Cilindrata unitaria: 541,33 cc
Alesaggio e Corsa: Ø 88 mm x 89 mm (motore ≈ quadro)
Rapporto Alesaggio/Corsa: 0,988
Interasse cilindri: 93 mm
Velocità media del pistone a 8000 giri/min: 23,73 m/s
Sistema di lubrificazione: Carter secco (h= 195 mm)

Camera di combustione Pent roof (a tetto)
Distribuzione bialbero a 4 valvole per cilindro
Diametro valvola di aspirazione: 35,60 mm
Diametro valvola di scarico: 30,40 mm
Area efficace media: (v.r.)
Alzata massima valvole aspirazione: 11,1 mm
Alzata massima valvole scarico: 11 mm
Area di cortina: 1240,80 mm^2
Sezione minima condotto di aspirazione: 1765,604 mm^2 (stimato)
Sezione massima della trombetta: 3389,958 mm^2 (stimato)
Sezione media della trombetta: 2577,782 mm^2 (stimato)
Lunghezza condotto aspirazione (primario + runner): 389 mm (stimato)
Fasatura albero a camme di aspirazione (nel momento di massimo incrocio): 51° - 71°
Fasatura albero a camme di scarico (nel momento di massimo incrocio): 76° - 33°
Durata fase aspirazione (nel momento di massimo incrocio): 302°
Durata fase di scarico (nel momento di massimo incrocio): 289°
Massima alzata (angolo motore): 100°
Durata massima incrocio: 84°
Variatore di fase: Fasatura variabile a controllo elettronico (VVT)
Traslazione della durata angolare di aspirazione e scarico: 30° motore (variabile in modo continuo)

Aspirazione a geometria variabile: VIS
Elementi geometria variabile per ogni bancata: 2 Zip, 1 By-pass, 1 Plenum, 6 Runner
Configurazioni del Plenum: Tre configurazioni di funzionamento previste
Sistemi di aspirazione e scarico separati per ogni bancata

Rapporto di compressione: 11.1 (± 0.2) : 1
Potenza massima: 640 CV (471 kW) @ 8.000 rpm
Coppia masima: 660 Nm @ 6.000 rpm
Regime massimo di rotazione: 8.250 giri/min

Classe di emissioni: EURO 4
Sistema di controllo delle emissioni: Catalizzatori con sonda Lambda
Impianto di raffreddamento: Impianto aria ed olio con prese d’aria a sezione variabile

Gestione: Lamborghini Iniezione Elettronica (LIE) basata su 4 centraline
Centraline master: sistema di 2 centraline gestione motore Lamborghini LIE ed 1 centralina Lamborghini GFA
Centralina satellite: 1 centralina (slave) Lamborghini PMC

Massa motore: 253 kg
Rapporto potenza/peso veicolo: 2,65 CV/kg
Rapporto potenza/cilindrata: 98,52 CV/litro
Emissioni di CO2: 480 g/km
Prestazioni: 342 km/h | 0-100 km/h in 3,2 secondi
Consumo medio: 21,3 litri/100km

Scheda L539

Tipo: V12 - 60°, open deck, MPI
Iniezione indiretta
Ordine di accensione: 1-12-4-3-2-11-6-7-3-10-5-8
Albero motore montato su 7 supporti (massa = 24,6 kg)
Cilindrata: 6.498 cc
Cilindrata unitaria: 541,5 cc
Alesaggio e Corsa: Ø 95 mm x 76,4 mm (motore superquadro o a corsa corta)
Rapporto Alesaggio/Corsa: 1,243
Interasse cilindri: 103,5 mm
Velocità media del pistone a 8250 giri/min: 21 m/s
Sistema di lubrificazione: Carter secco (h= 120 mm)

Camera di combustione Pent roof (a tetto)
Distribuzione bialbero a 4 valvole per cilindro
Diametro valvola di aspirazione: 38,00 mm (+2,4 mm stimato)
Diametro valvola di scarico: 32,45 mm (+2,05 mm stimato)
Area efficace media: +11% c.a. rispetto al motore L537 (v.r.)
Alzata massima valvole aspirazione: 11,9 mm (+0,8 mm stimato)
Alzata massima valvole scarico: 11,8 mm (+0,8 mm stimato)
Area di cortina: 1419,9 mm^2 (stimato)
Sezione minima condotto di aspirazione: 1823,249 mm^2 (stimato)
Sezione massima della trombetta: 3500,638 mm^2 (stimato)
Sezione media della trombetta: 2661,944 mm^2 (stimato)
Lunghezza condotto aspirazione (primario + runner): 360 mm (stimato)
Fasatura albero a camme di aspirazione (nel momento di massimo incrocio): n.d.
Fasatura albero a camme di scarico (nel momento di massimo incrocio): n.d.
Durata fase aspirazione (nel momento di massimo incrocio): 313° (stimato)
Durata fase di scarico (nel momento di massimo incrocio): 300° (stimato)
Massima alzata (angolo motore): n.d.
Durata massima incrocio: n.d.
Variatore di fase: Fasatura variabile a controllo elettronico (VVT)
Traslazione della durata angolare di aspirazione e scarico: 30° motore (variabile in modo continuo)

Aspirazione a geometria variabile: VIS
Elementi geometria variabile per ogni bancata: 2 Zip, 1 By-pass, 1 Plenum, 6 Runner
Configurazioni del Plenum: Tre configurazioni di funzionamento previste
Sistemi di aspirazione e scarico separati per ogni bancata

Rapporto di compressione: 11.8 (± 0.2) : 1
Potenza massima: 700 CV (515kW) @ 8.250 rpm
Coppia masima: 690 Nm @ 5.500 rpm
Regime massimo di rotazione: 8.500 giri/min

Classe di emissioni: EURO 5 – LEV 2
Sistema di controllo delle emissioni: Catalizzatori con sonda Lambda
Impianto di raffreddamento: Impianto aria ed olio con prese d’aria a sezione variabile

Gestione: Lamborghini Iniezione Elettronica (LIE) basata su 2 centraline
Una centraline master
Una centralina slave

Massa motore: 235 kg
Rapporto potenza/peso veicolo: 2,97 CV/kg
Rapporto potenza/cilindrata: 107,72 CV/litro
Emissioni di CO2: 398 g/km
Prestazioni: 350 km/h | 0-100 km/h in 2,9 secondi
Consumo medio: 17,2 litri/100km

Legenda:
v.r. = valore riservato
n.d. = dato non disponibile o da valutare

Viste prospettiche dei monoblocchi e basamenti dei motori L537 e L539

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Rubrica: Motorismo

Titolo o argomento: Effetti della variazione di alesaggio e corsa sulla distribuzione

Questo articolo segue dai precedenti indicati di seguito:
Dal motore L537 della Lamborghini Murcielago LP640 al… - Parte prima
Dal motore L537 della Lamborghini Murcielago LP640 al… - Parte seconda
Dal motore L537 della Lamborghini Murcielago LP640 al… - Parte terza

Come spiegato nel precedente articolo, l’ampliamento del diametro delle valvole è solo una frazione della rivisitazione che subisce il sistema distribuzione-condotti. In realtà ad un incremento del diametro delle valvole corrisponde una variazione delle sezioni dei condotti di aspirazione (particolare attenzione è dedicata alla sezione in prossimità della valvola), una variazione delle sezioni delle trombette ed una variazione della lunghezza dei condotti stessi. Quest’ultima quota tiene conto della lunghezza dei runners, della lunghezza dei condotti primari in testata e della condizione in cui, la valvola di aspirazione aperta, viene a costituire un ulteriore tratto del condotto.

Effetti della variazione di Alesaggio e Corsa sulla distribuzione (e dintorni…)

Camera di combustione. L’aumento dell’alesaggio, come già accennato, implica un incremento di pochi millimetri (circa 3,5mm sul raggio) delle zone di squish a parità di dimensioni del tetto della camera. Se invece si mantengono inalterate le zone di squish è possibile ampliare di pochi gradi (valori compresi tra i 3° ed i 6° non sono poi così distanti dalla realtà) l’angolo al vertice del tetto. Questa operazione consente di adottare valvole di diametro leggermente maggiore.

Rapporto geometrico di compressione. Essendo la cilindrata invariata (l’aumento dell’alesaggio è compensato da una riduzione della corsa) il rapporto geometrico di compressione rimane il medesimo. In realtà dai dati resi disponibili (tutti gli altri sono stati calcolati appositamente per la redazione di questa serie di articoli) sappiamo che il rapporto di compressione è passato da 11,1:1 del propulsore L537 a 11,8:1 del propulsore L539. Questo conferma una variazione del disegno delle camere di combustione e, probabilmente, anche dei pistoni.

Ottimizzazione delle valvole. Sfruttando un maggiore alesaggio e modificando opportunamente la geometria della camera di combustione si è potuto incrementare il diametro delle valvole di aspirazione e scarico. Le valvole di aspirazione sono passate dai 35,60 mm ai 38,00 mm (valore stimato come massimo), mentre le valvole di scarico sono passate dai 30,40 mm ai 32,45 mm (valore stimato come massimo). Naturalmente le prove al banco di flussaggio hanno l’ultima parola anche su formule matematiche e stime. Ciò significa che, nonostante una formula di motorismo possa indicare una direzione, l’ultima parola spetta sempre alla sperimentazione al banco.

Ottimizzazione dei condotti (lunghezza, sezioni, accordatura). Una regola vecchia come il motorismo vuole per le vetture da corsa condotti di aspirazione stretti e valvole ampie, a patto però di non raggiungere condizioni di sonicità troppo anticipatamente in una delle sezioni dei condotti di aspirazione. Inoltre in un condotto stretto sono maggiori gli attriti che impediscono di ottenere un buon riempimento del cilindro. Per quanto concerne la lunghezza dei condotti di aspirazione il progettista ha i mezzi per calcolarne la lunghezza ottimale che garantisce le migliori condizioni d’onda e quindi la miglior “respirazione” del motore. Personalmente ho calcolato una lunghezza totale del condotto primario più il runner, del motore L537, pari a 389 mm. Per il motore L539 ho stimato invece una lunghezza, della medesima quota, pari a 360 mm. In realtà vi sono tre differenti lunghezze (proporzionali) adottabili al fine di garantire le medesime condizioni d’onda nel condotto di aspirazione. La scelta tra queste tre lunghezze può esser fatta ad esempio in base allo spazio disponibile nel vano motore e vincolata quindi dall’estetica del mezzo. Nell’immagine in basso è possibile osservare una conferma di quanto ipotizzato, effettivamente i runners del motore L537 hanno un andamento più curvilineo ed il fluido deve percorrere un tratto più lungo rispetto a quello dei runners del motore L539. La sezione minima del singolo condotto di aspirazione passa da 1765,604 mm^2 del motore L537 a 1823,249 mm^2 del motore L539 (stimato), la sezione massima della singola trombetta passa invece da 3389,958 mm^2 a 3500,638 mm^2 (stimato). Incrementi che possiamo considerare ragionevolmente modesti. Il valore che invece esprime la capacità respiratoria del motore è l’area efficace media la quale, nel motore L539, è cresciuta del 13%. Per questioni di riservatezza non è possibile pubblicare il dato numerico anche se nulla vieta di smontare il motore della supercar di un cliente per eseguire rilievi e prove come più volte è capitato alle riviste specializzate e a chi scrive.

Ottimizzazione delle leggi di alzata delle valvole. Aumentare l’alzata, oltre a stressare maggiormente le molle delle valvole, oltre a portare a possibili perdite di contatto tra la camma e la punteria con conseguenti dannosi urti pericolosissimi per l’affidabilità ed oltre a generare aperture e chiusure troppo repentine delle valvole con violenti urti delle stesse contro le rispettive sedi, non sempre offre quel miglioramento fluidodinamico che ci si potrebbe aspettere. D’altronde, per mantenere entro certi limiti le accelerazioni subite da valvole e punterie, si può effettuare un ampliamento della fasatura (1 mm circa di alzata in più porta ad un ampliamento della fasatura di circa 11°). Questo significa che la valvola in questione rimane aperta di più dato che, per mantenere l’accelerazione uguale al precedente valore ed allo stesso tempo aumentare il percorso, si devono ovviamente allungare i tempi. In realtà, per favorire il raggiungimento dei 700 cavalli del motore L539, ho calcolato un aumento dell’alzata delle valvole di aspirazione e di scarico di soli 0,8 mm (dato stimato la cui utilità, in progettazione, va verificata al banco prova flussaggio e tramite software CFD: “Computational Fluid Dynamics”). L’incremento dell’area di cortina (che volgarmente potremmo definire come l’area di passaggio del fluido dalla singola valvola in camera di combustione), a patto che non vi siano interferenze quali contatti valvola-valvola o valvola-pistone, è stimato intorno al 13% circa. Nonostante ciò sono le simulazioni e le prove al banco che forniscono le informazioni circa la reale convenienza dell’intervento.

Ottimizzazione della fasatura della distribuzione. Se si desidera aumentare l’alzata delle valvole senza però imprimere forti accelerazioni soprattutto durante la loro chiusura, è necessario ampliare la fasatura. L’ideale sarebbe prolungare prevalentemente le rampe di chiusura. Per questa serie di articoli si è stimata, per il motore L537, la seguente fasatura 51-71-76-33  (nel momento di massimo incrocio) con il punto di massima alzata in prossimità dei 100° di angolo motore ed un incrocio di 84°. Tornando quindi alla considerazione sull’incremento dell’alzata delle valvole si può stimare, per il motore L539, una durata, sia della fase di aspirazione che di scarico, incrementata di 11°.

Potenza massima. L’incremento ponderato del diametro delle valvole e dell’alzata, nonché l’aumento delle dimensioni dei condotti con relativa diminuzione della velocità dei gas, implica un miglioramento del rendimento volumetrico agli alti regimi. La curva della potenza sale ma presenta necessariamente dei buchi ai bassi e medi regimi. Giocando però con i sistemi VIS e VVT, adottando un cambio con rapporti più corti ma una marcia in più (il motore L539 è abbinato ad un cambio a 7 rapporti) e rendendo il veicolo quanto più leggero, è possibile sopperire all’inconveniente e fornire al guidatore sensazioni di guida brillanti.

Coppia massima. L’aumento delle prestazioni agli alti regimi dovrebbe procurare un buco di coppia ai medi regimi dovuto a normalissimi vuoti nel riempimento, tuttavia, nel caso del motore L539, la coppia aumenta di 3 kgm ed arriva circa 500 giri/min prima. Sebbene questo non sia un grande valore, è opportuno tener conto di quanto sia già molto importante il fatto di non essere andati in perdita. Variando gli anticipi di accensione è possibile ottenere moderate variazioni di coppia da non trascurare. Tale soluzione però può incappare in fenomeni di detonazione ragione per cui, il motore L539, è dotato di controllo ionico della carica ottenuto mediante apposite candele. Tradotto può voler dire che qualunque motore in realtà eroga la sua potenza massima, esprimendo la sua migliore coppia, solo in determinate condizioni atmosferiche e di utilizzo. Inoltre, giocando opportunamente con i sistemi VIS e VVT è stato possibile adeguare la respirazione del motore in un range poco favorevole. Come già è stato anticipato, anche il cambio a 7 rapporti del motore L539 favorisce l’accelerazione del veicolo ed il guidatore può così avere la sensazione di un maggior divario di coppia tra la Murcielago LP640 e la Aventador LP700-4.

Iniezione indiretta. Secondo gli Ingegneri Lamborghini l’adozione dell’iniezione diretta sul motore L539 avrebbe offerto vantaggi che però hanno un peso minore rispetto alle maggiori emissioni di particolato e NOx che ne sarebbero conseguite. Valori di emissione che non avrebbero consentito di rispettare la normativa Euro5 - LEV2. Probabilmente l’adozione di catalizzatori più grandi avrebbe potuto permettere di raggiungere lo scopo pagando però un prezzo troppo caro non solo in termini di progettazione della testata ma anche in termini di peso e quindi di minore capacità di accelerazione del veicolo.

Runners del motore L537 della Lamborghini Murcielago LP 640 (in basso)
e del motore L539 della Lamborghini Aventador LP 700-4 (in alto)

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