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 Euro6. 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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Rubrica: Motorismo

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

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

Effetti della variazione di alesaggio e corsa sulla camera di combustione

Premesso che la cilindrata del motore L539 è rimasta praticamente invariata rispetto al motore L537 (una variazione di due centimetri cubici è assolutamente trascurabile), è opportuno precisare che in fase di progettazione si può intervenire sulla testata (ovviamente una per ogni bancata) in due differenti direzioni. Nella prima direzione, considerando che il rapporto geometrico di compressione è teoricamente il medesimo per entrambi i motori, si sceglie di montare le testate (riadattate) del motore L537 della Murcielago LP640 sul motore L539 della Aventador LP700-4. Gli effetti di una simile scelta hanno ovvi risvolti positivi principalmente in termini di costi e di ore di progettazione, ma non sulla ricerca della massima prestazione stradale possibile. Il disegno di ogni testata rimane il medesimo e si possono operare modifiche sui runners e sugli alberi a camme. Modifiche che in sostanza non sono strutturali per le testate. L’adozione di camere di combustione Pent roof (a tetto) offre il vantaggio di concentrare la combustione (solo negli istanti in cui il pistone si trova al punto morto superiore e nel suo intorno) in una zona ristretta influenzando positivamente il rendimento della combustione con conseguente riduzione delle emissioni di NOx; tuttavia le zone di squish aumentano in maniera ingiustificata. Il motore va in moto, va forte, ma non è al top.

Nella seconda direzione, tenendo conto di un maggiore alesaggio, si opera una ridefinizione del diametro delle valvole, della sezione terminale dei condotti primari di aspirazione (ovvero in prossimità delle valvole), della geometria delle camere di combustione, delle zone di squish, del disegno dei pistoni e della lunghezza dei runners, nonché un adeguamento dei sistemi VIS e VVT (rispettivamente di aspirazione a geometria variabile e fasatura variabile). La seconda direzione risulta ovviamente più laboriosa ed implica un massiccio lavoro di riprogettazione dell’intera distribuzione (leggi di apertura, chiusura e alzata delle valvole, fasatura variabile, geometria variabile dell’aspirazione) ma offre prestazioni ottimizzate e “numeri” leggermente migliori. Intraprendere questa direzione trova una giustificazione economica soprattutto in previsione dell’utilizzo del motore L539 come base per una versione ulteriormente evoluta da montare sulla erede (o sorella maggiore) della Aventador. Erede di cui al momento si tiene gelosamente custodito ogni segreto. Si sa solo che il nuovo modello Lamborghini è attualmente in fase di studio ed il nome non è stato ancora deciso, gli Ingegneri Lamborghini comunque ne confermano l’esistenza. Questo esempio non viene portato all’attenzione per parlare di nuovi modelli di automobili (tematica assolutamente non affrontata da questo blog), bensì per motivare un investimento, una scelta. Comunque, tecnicamente, posso ipotizzare che la nuova vettura monterà il motore L539 evoluto in grado di raggiungere un regime di rotazione prossimo ai 9000 giri al minuto (con velocità media del pistone vicina a quella del motore L537)  e potrebbe erogare circa 30 cavalli in più intorno agli 8500 giri al minuto.

Nell’immagine in basso è visibile uno schema semplificato della camera di combustione a tetto. Aumentare l’alesaggio “D”, lasciando inalterato il tetto, significa aumentare la base “b” della zona di squish. Gli effetti dell’incremento di tale quota vanno studiati tramite percorsi sperimentali. In realtà l’incremento dell’alesaggio, da 88 mm del motore L537 a 95 mm del motore L539, favorisce la possibilità di progettare valvole più ampie (soluzione preferita dai progettisti al fine di ottenere un maggior riempimento agli alti regimi in vista di un incremento di potenza massima). L’incremento stimato, sul diametro, è di 2,4 mm per le valvole di aspirazione e di 2,05 mm per quelle di scarico. Simili valori però sono stati ricavati mediante opportune formule che non tengono conto della reale geometria della camera di combustione e della possibilità che le valvole interferiscano entrando in contatto tra loro o con il pistone. Ampliare il tetto, aumentando l’angolo “α” di pochi gradi, permette di aumentare la quota “d” (rendendo possibile l’adozione di valvole più ampie) fino a riportare la base “b”, della zona di squish, al medesimo valore del motore L537. Allo stesso tempo però si ottiene un incremento del volume disponibile ed una riduzione del rapporto geometrico di compressione. L’incremento di volume può essere azzerato riducendo la quota h’ e modificando opportunamente il disegno del cielo del pistone. Il fatto che il rapporto di compressione sia passato dal valore di 11,1:1 del motore L537 al valore 11,8:1 del motore L539, lascia presagire che si sia largamente agito su tali quote. Come vedremo nel seguito, l’aumento dei diametri delle valvole costituisce solo una frazione degli interventi necessari per ottimizzare il riempimento dei cilindri del motore L539.

Continua…

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Rubrica: Motorismo

Titolo o argomento: Effetti della variazione di alesaggio e corsa sul manovellismo

Segue dall’articolo introduttivo:
Dal motore L537 della Lamborghini Murcielago LP640 al… - Parte prima

Effetti della variazione di Alesaggio e Corsa sul manovellismo

Interasse canne. Con un incremento dell’alesaggio, risulta ovvio che l’interasse tra le canne dei cilindri del motore diventi maggiore. L’interasse è la quota che intercorre tra l’asse di due cilindri adiacenti. Passando da 93 mm a 103,5 mm si hanno oltre 10 mm di incremento. Questo comporta un motore più lungo di circa 50 mm, il che può diventare un rilevante problema in fase di progettazione.

Lunghezza motore. Per contenere il più possibile il maggiore ingombro longitudinale conseguente dall’aumento dell’alesaggio dei cilindri, si è operata una completa riprogettazione delle intercapedini entro le quali scorre il fluido refrigerante. Una difficoltà non da poco per gli ingegneri motoristi i quali sono chiamati a collaborare con gli ingegneri telaisti e con i carrozzieri che spesso impongono forti vincoli dimensionali per l’alloggiamento dei motopropulsori sia per evitare di intaccare la maneggevolezza del veicolo, sia per ragioni estetiche.

Velocità media del pistone. La velocità media del pistone è un parametro che riguarda il grado di sollecitazione degli organi del manovellismo, inoltre offre un’idea del rendimento meccanico del motore. La riduzione della corsa da 89 mm (motore L537) a 76,4 mm (motore L539) ha permesso di ridurre la velocità media del pistone da 23,7 m/s a 21 m/s nonostante il regime di rotazione massimo sia aumentato di 250 giri/min. Tale variazione ha inoltre permesso di ridurre il lavoro medio di attrito sviluppato ad ogni ciclo dall’unità di cilindrata.

Il raffreddamento. Premesso che in un motore a corsa corta si riduce la capacità di raffreddamento dello stantuffo, è opportuno notare che il rapporto tra la quantità di calore sottratta dal cilindro e quella sviluppata dalla combustione che in esso avviene, e quindi il grado di raffreddamento del motore, è inversamente proporzionale alla velocità media dello stantuffo.

Sollecitazioni meccaniche. La velocità media del pistone è scesa dal valore di 23,7 m/s (motore L537) al valore di 21 m/s (motore L539) riducendo così le forze d’inerzia, le forze centrifughe ed i conseguenti carichi agenti su pistoni, bielle, albero motore e bronzine. Ciò, abbinato ad un nuovo ordine di accensione (il motore L537 aveva il seguente ordine: 1-7-4-10-2-8-6-12-3-9-5-11; mentre per il motore L539 l’ordine è: 1-12-4-3-2-11-6-7-3-10-5-8), ha permesso di eliminare il volano e ridurre la massa dell’albero a gomiti (forgiato) il quale, tra l’altro, è più rigido avendo una forma più raccolta dovuta a bracci di manovella più corti.

Regime di rotazione. Se consideriamo due motori, a parità di cilindrata e di grado di riempimento dei cilindri, quello che gira più in alto erogherà una maggiore potenza. Il motivo risiede nel semplice fatto che la quantità di aria e combustibile introdotti è direttamente proporzionale al numero di giri raggiunti. Come indicato pochi paragrafi sopra, diminuendo la corsa si riduce la velocità media raggiunta dal pistone. Questo significa che si può incrementare il regime di rotazione fino a raggiungere le medesime sollecitazioni agenti sul precedente motore con corsa maggiore. In questo caso la riduzione della corsa, da 89 mm a 76,4 mm, ha permesso un incremento del regime di rotazione di circa 250 giri al minuto a beneficio dell’erogazione della potenza in alto. In realtà i tecnici potevano spingersi oltre ma, molto probabilmente, hanno conservato questa possibilità per il motore che equipaggerà la prossima novità Lamborghini attualmente in fase di studio.

I motori a corsa corta e la coppia. Tra il motore L537 ed il motore L539 vi è una differenza di coppia massima di soli 3 kgm anche se questa si presenta ora 500 giri/min prima, a tutto vantaggio delle prestazioni. In effetti non è facile ottenere importanti aumenti di coppia laddove vi è una riduzone della corsa (problema tipico dei motori di F1 che sono noti per la loro scarsa trattabilità ed elasticità fuori dai regimi di utilizzo); tuttavia la progettazione di condotti adeguati e di una distribuzione ottimale, giocano un ruolo fondamentale sulla modifica delle curve di coppia e potenza a beneficio del tipo di utilizzo che si intende fare del motore. Operazioni le quali, nonostante siano complesse, risultano più fattibili grazie alla presenza della fasatura variabile a controllo elettronico. La sensazione di una maggiore capacità di sviluppare coppia motrice, da parte della Aventador, deriva più che altro dall’adozione di un nuovo cambio a 7 rapporti ben spaziati (motore L539) al posto del precedente a 6 rapporti abbinato al motore L537.

Lo schema del motore. Inutile dire che lo schema 12 cilindri a V di 60° risulti essere uno dei migliori in assoluto per la semplice ragione che le forze ed i momenti del primo e secondo ordine sono perfettamente equilibrati. Inoltre l’adozione di un motore molto frazionato come il V12 permette di ottenere potenze specifiche superiori a mano a mano che si incrementa il regime di rotazione. Anche il rendimento termico del V12, rispetto ad esempio ad un V8 di pari cilindrata totale, risulta migliore in quanto il diametro dei singoli cilindri è minore e permette di raggiungere maggiori rapporti di compressione riducendo di conseguenza  i consumi specifici. Cosa da non sottovalutare, in un motore destinato ad avere prestazioni elevate, è che un maggiore frazionamento implica la possibilità di un migliore raffreddamento. Nonostante ciò gli Ingegneri della Lamborghini stanno pensando di adottare sulle future vetture termostati pilotati elettronicamente al fine di ottenere un miglior controllo sulle temperature in gioco (con variabilità).

Continua…

Nell’immagine è appena percettibile la differenza di alesaggio e corsa tra i due modelli, tuttavia
il cambio di prestazioni risulta notevole  grazie alla ridefinizione dell’intero progetto del motore.
Sulla sinistra è visibile un esempio, riferito al singolo cilindro, in cui l’alesaggio vale 88 mm
e la corsa 89 mm; mentre sulla destra i valori sono rispettivamente di 95 mm e 76,4 mm.
Image’s copyright: www.ralph-dte.eu

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Rubrica: Motorismo

Titolo o argomento: Incremento delle prestazioni del motore lasciando inalterata la cilindrata

Incrementare la coppia e la potenza di un motore ad elevate prestazioni, avendo importanti vincoli di cui tener conto, è senza dubbio un lavoro complicato (ma fattibile) specie se uno dei vincoli è rappresentato dall’impossibilità di variare la cilindrata. Questo significa che Automobili Lamborghini S.p.A., al fine di realizzare il nuovo motore L539 della Aventador, ha chiesto ai propri ingegneri di incrementare le prestazioni del motore L537 della Murcielago lasciando inalterata la cilindrata e lo schema V12 di 60°. Se il secondo vincolo non rappresenta affatto un problema, il primo comporta una gran mole di studi e prove. Il sistema più semplice per ottenere maggiore potenza e coppia da un motore a combustione interna, consiste senza dubbio nell’aumentare la cilindrata. Tale sistema però è ormai bandito dalle strategie di sviluppo perchè, neanche a dirlo, è anti-ecologico. Si punta quindi su altre direzioni di sviluppo. Direzioni che non rappresentano una concreta innovazione, perchè mature come la storia del motorismo, ma che rappresentano più un complesso lavoro di affinamento. Direzioni che stanno conoscendo un elevato grado di ricerca e perfezionamento di ogni minimo dettaglio, anche quello all’apparenza più insignificante, per spremere quanto di più possibile si possa avere da un 6,5 litri aspirato con schema 12 cilindri a V di 60° e regime di rotazione massimo attestato attorno agli 8000 giri al minuto. Analizziamo quindi, per passi semplificati, gli interventi che si sono operati in progettazione affinché il propulsore Lamborghini L537 6,5 litri V12-60° da 640 cavalli sbocciasse nel nuovo motore L539 6,5 litri V12-60° da 700 cavalli.

Variazione di Alesaggio e Corsa

Per mantenere la medesima cilindrata, nel passaggio dal motore L537 al motore L539, si è operato un incremento dell’alesaggio da Ø88 mm a Ø95 mm in concomitanza con una riduzione della corsa da 89 mm a 76,4 mm (il solo incremento dell’alesaggio avrebbe ovviamente comportato un aumento della cilindrata violando il primo vincolo imposto). Il motore da “quadro” è così diventato a “corsa corta” o “super quadro”. E’ chiaro che si tratta di una scelta ponderata di cui si sono oltremodo analizzati gli effetti globali e le conseguenze quali la riprogettazione degli organi che ne subiscono l’influenza. Le valvole ad esempio, trovando una superficie più ampia in camera di combustione, sono state riprogettate incrementando il diametro. Operazione che ha senso se anche i condotti di aspirazione/scarico vengono ridimensionati. Modificando però il dimensionamento di valvole e condotti si opera un cambiamento radicale nella “respirazione” del motore che richiede un nuovo profilo delle camme e quindi differenti leggi di apertura/chiusura delle valvole e differenti alzate. A sua volta tale operazione comporta un adeguamento della fasatura variabile e dell’elettronica in essa operante. Ma non solo. Aumentare l’alesaggio significa andare verso una riduzione del rapporto geometrico di compressione, cosa che agli effetti non succede riducendo la corsa; l’adeguamento del disegno di camera di combustione e del pistone, come vedremo, risulterà comunque necessario. Un lavorone che è durato circa tre anni.

E’ opportuno, inoltre, considerare tutta una serie di vantaggi che hanno reso più che corretto operare un aumento dell’alesaggio ed una riduzione della corsa, nel passaggio dal motore L537 al motore L539, piuttosto che il contrario. In primis la potenza del motore aumenta con il quadrato dell’alesaggio, viceversa, se si incrementa la corsa, la potenza cresce solo con un esponente di 0,5-0,6; grazie alla testa del cilindro più ampia, si ha la possibilità di incrementare il diametro delle valvole e posizionarle in modo migliore assieme alla candela; infine, nel complesso, il motore ha un peso minore (va sottolineato però che nel passaggio dal motore L537 al motore L539, la gran parte della riduzione del peso è dovuta ad una forte ottimizzazione degli accessori che, grazie ad un migliore e più ordinato posizionamento, ha permesso di risparmiare l’installazione di inutili staffe, piaste, viti, ecc.). D’altra parte però, nella scelta di un incremento di alesaggio, vi sono anche alcuni conseguenti svantaggi quali ad esempio una maggiore massa di valvole e pistoni.

Continua…

Link correlati (in preparazione)

Dal motore L537 della Lamborghini Murcielago LP 640 al… - Parte prima
Dal motore L537 della Lamborghini Murcielago LP 640 al… - Parte seconda
Dal motore L537 della Lamborghini Murcielago LP 640 al… - Parte terza
Dal motore L537 della Lamborghini Murcielago LP 640 al… - Parte quarta
Dal motore L537 della Lamborghini Murcielago LP 640 al… - Parte quinta

Nel V12 di 60° le forze ed i momenti del primo e secondo ordine sono perfettamente equilibrati.
Lo stesso si verifica ad esempio nel 6 cilindri in linea e nel V12 a cilindri contrapposti.
D’altra parte però l’ingombro verticale risulta maggiore rispetto ad esempio ad un V8 di 90°.
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Rubrica: Le domande dei lettori | Curiosità della tecnica da corsa

Titolo o argomento: Differenza diametro valvole in un motore a c.i.

Rispondendo a: Alessio

Non si tratta di una priorità legata ai soli motori da competizione, anche i motori stradali hanno le valvole di aspirazione con un diametro leggermente più grande per quella di aspirazione. Generalmente il diametro della valvola di scarico è minore del 10-15% rispetto a quello della valvola di aspirazione. Le ragioni di tale scelta sono legate prevalentemente al coefficiente di riempimento ed alle sollecitazioni termiche. Il diametro delle valvole di aspirazione ha un peso maggiore sull’ottenimento di un buon coefficiente di riempimento (λ_v), questo significa che il progettista sacrifica volentieri il diametro delle valvole di scarico a favore di quelle di aspirazione al fine di ottenere migliori prestazioni del motore. Lo spazio in camera di combustione è limitato e non si può avere tutto. D’altra parte, la riduzione del diametro delle valvole di scarico, offre un rovescio della medaglia favorevole in quanto le valvole di scarico hanno due importanti problemi che, guarda caso, si risolvono proprio riducendone il diametro: le sollecitazioni termiche e la tenuta. Essendo la valvola di scarico maggiormente sollecitata termicamente rispetto alla valvola di aspirazione, un diametro minore favorisce lo smaltimento del calore per cessione verso la guida e la sede della valvola stessa. Inoltre diminuendo il diametro della valvola di scarico si riducono i suoi problemi di tenuta.

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Dimensionamento della testata (parte prima): le valvole di aspirazione - schema 2 valvole per cilindro
Dimensionamento della testata (parte seconda): le valvole di aspirazione - schema 4 valvole per cilindro
Dimensionamento della testata (parte quinta): le valvole di scarico

Generalmente la differenza tra il diametro della valvola di aspirazione e quella di scarico,
si aggira attorno al 10-15% a vantaggio della valvola di aspirazione. A sinistra lo schema
nel caso delle due valvole per cilindro, a destra quello delle quattro valvole per cilindro.

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Rubrica: The expert on the salmon

Titolo o argomento: Chiamateli pure carburanti alternativi, biocarburanti o carburanti rinnovabili

Grazie al recente cambio legislativo europeo in materia di carburanti rinnovabili, l’impulso di alternative ai combustibili fossili è tornato sotto la luce dei riflettori della stampa internazionale. Si è aperto un interessante dibattito su quali fonti energetiche favorire e sulla sostenibilità delle possibili alternative volte a migliorare l’efficienza energetica di ogni singolo paese. Nel contesto italiano, purtroppo, è venuto meno l’auge mediatico che ha invece travolto i nostri cugini europei. Probabilmente per colpa di una mancanza di cultura di base sull’argomento. Ci piacerebbe sopperire a questa lacuna informativa descrivendo quelle che sono le nuove direttive europee in tema di carburanti rinnovabili, un excursus sulle differenti fonti energetiche e sull’impatto che apporteranno alla nostra società nei prossimi anni.

Direttiva CE sulla promozione dell’uso dell’energia da fonti rinnovabili

Ogni Stato membro assicura che i propri obiettivi nazionali generali obbligatori sono coerenti con l’obiettivo di una quota pari almeno al 20 % di energia da fonti rinnovabili nel consumo finale lordo di energia della Comunità nel 2020. Ogni Stato membro assicura che la propria quota di energia da fonti rinnovabili in tutte le forme di trasporto nel 2020 sia almeno pari al 10 % del consumo finale di energia nel settore dei trasporti nello Stato membro. Per leggere il testo completo copia e incolla il seguente link sul tuo browser:

http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2009:140:0016:0062:it:PDF

L’estratto del testo di legge citato in apertura è la grande rivoluzione che sta travolgendo il sistema energetico internazionale. L’Unione Europea ha fissato degli obiettivi generali obbligatori per portare al 20% la quota di energia prodotta da fonti rinnovabili nel consumo elettrico e al 10% la quota di fonti rinnovabili in tutte le forme di trasporto.

Il primo obiettivo non si presenta come una grande sfida per il nostro paese. L’Italia già produce circa 75 TWh di elettricità da fonti rinnovabili, pari al 22% de fabbisogno nazionale lordo di energia elettrica. Questo valore percentuale è principalmente frutto della nostra capacità idroelettrica e geotermica, oltre agli sforzi che si stanno impiegando nell’ambito eolico e solare.

L’obiettivo obbligatorio del 10% di fonti rinnovabili per tutte le forme di trasporto risulta il grande problema per il nostro futuro a medio termine. Mancano solo 9 anni al 2020, e in Italia non si è ancora nemmeno presa in considerazione la strategia da intraprendere per raggiungere questo obiettivo. Il nostro consumo di biocarburanti quali il biodiesel e il bioetanolo è praticamente infinitesimale e lontano dalle aspettative di crescita del settore nel resto d’Europa. Attualmente siamo i quarti produttori Europei di biocarburanti ma la maggior parte della produzione è destinata ad esportazioni. Non è infatti prevista in Italia la possibilità di comprare biocarburanti allo stato puro nella stazione di rifornimento ma solo miscelati in percentuali comprese tra il 2% e il 7% con carburanti fossili. C’è bisogno di un forte cambio legislativo e sociale per raggiungere l’obiettivo obbligatorio che ci richiede l’UE e c’è poco tempo per attuarlo. Nei prossimi articoli valuteremo le differenti alternative che compongono il panorama dei biocarburanti, la loro efficienza energetica e le strade intraprese dai nostri vicini europei.

Articolo scritto da:
Ing. Gestionale Davide Mazzanti in collaborazione con il blog ralph-dte.eu

 Leggi tutti gli articoli della rubrica “The Expert on the Salmon”  a cura dell’Ing. Davide Mazzanti.

Image’s copyright: midwestgreenfuel.com

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Rubrica: Curiosità della tecnica

Titolo o argomento: La trazione integrale sulle vetture ad elevate prestazioni

Un ingegnere di Lamborghini Automobili S.p.A., che ho avuto modo di incontrare di recente, con una sintesi che non poteva essere più “superleggera”, mi ha detto: “una vettura supersportiva a trazione posteriore avente una dose massiccia di cavalli, in accelerazione è come un animale il cui sangue va tutto nelle zampe posteriori… le anteriori ovviamente gli formicolano e non lavorano”. Ciò significa che, durante violente accelerazioni, il contributo delle ruote anteriori è di notevole importanza per ottenere un’importante stabilità ed una trazione senza eguali. Ovviamente una trasmissione a trazione integrale ha un ingombro (che influisce abbondantemente sullo studio del telaio, del motore e del cambio), un peso maggiore (che influisce sulle prestazioni e sui consumi) e maggiori perdite organiche (maggiori attriti). I fattori vanno messi sui piatti della bilancia per scegliere la direzione da seguire.

Il ghepardo non potrebbe mai accelerare da 0 a 100 km/h in 3,5 secondi senza
la sua particolare struttura e senza le sue lunghe e nervose “quattro” zampe.
Image’s copyright: AL Harrington Photography

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Rubrica: I padroni della coppia

Titolo o argomento: Il torque vectoring ZF

Con il sistema Vector Drive (sistema dedicato alle auto a trazione posteriore e 4×4) si migliora notevolmente la dinamica di guida e la sicurezza. Il sistema provvede a distribuire la corretta coppia individualmente per ogni ruota motrice. In tal modo si genera un momento di imbardata (quindi un momento attorno all’asse verticale del veicolo) il quale può essere usato sia per migliorare l’agilità, sia per migliorare la stabilità del veicolo. In questo contesto la differenza di coppia tra le ruote viene generata indipendentemente dalla coppia motrice in uscita dal cambio (anche quando il guidatore non sta accelerando). Il veicolo viene aiutato nella sterzata durante la percorrenza delle curve, inoltre può essere stabilizzato in caso di manovre brusche senza agire sui freni. La manovrabilità (handling) dei veicoli dotati di questo dispositivo è eccellente specie nelle situazioni critiche nelle quali non tutti i guidatori sono preparati. Alla guida dei veicoli dotati di “vector drive” si può subito notare come lo sterzo risponda meglio e più rapidamente (sono infatti necessarie meno correzioni) migliorando il piacere di guida senza nulla togliere alle prestazioni dinamiche.

Per raggiungere questo obiettivo lo schema della trasmissione è stato dotato di un rotismo epicicloidale (con relativo sistema di frenatura del treno portasatelliti) per ogni asse di trasmissione. In attesa di poter leggere i successivi articoli inerenti il Vector drive potrebbe interessarti leggere l’articolo: Rotismi epicicloidali semplici: come funzionano?). Quando si procede lungo un rettilineo, il sistema “vector drive” si comporta come un ordinario differenziale aperto. La coppia motrice è ripartita in ugual misura su entrambi gli assi. Non appena il veicolo entra in curva, la coppia viene distribuita singolarmente in misura diversa tra la ruota interna e quella esterna alla curva. La coppia motrice viene controllata da un freno multidisco, sovrapposto al semiasse, attuato elettro-meccanicamente; questo agisce sul treno portasatelliti del rotismo epicicloidale del singolo asse generando variazioni di coppia. La differenza di coppia tra le ruote motrici viene generata indipendentemente dalla coppia motrice in uscita dal cambio e indipendentemente dall’azione o meno sull’acceleratore da parte del guidatore; la ruota esterna riceve una coppia maggiore rispetto alla ruota interna alla curva.

Il nucleo del vector drive è costituito da un comune differenziale aperto; ricordiamo che un differenziale aperto è in grado di trasmettere la medesima coppia per ogni ruota motrice, pertanto se una ruota perde aderenza e slitta, l’altra si ferma. Nel caso del vector drive invece, grazie all’ “upgrade cinematico”, un normale differenziale aperto diventa un congegno in grado di indirizzare una coppia maggiore dove è disponibile più trazione o, semplicemente, dove occorre. Il vector drive inoltre assolve i compiti solitamente svolti dai differenziali autobloccanti in quanto indirizza più coppia alla ruota con maggiore disponibilità di aderenza. La presenza del vector drive riduce l’uso dei freni, lo slittamento e l’usura dei pneumatici, nonché il consumo di carburante, a scapito di un contenuto aumento di peso e di un sensibile aumento delle perdite organiche della trasmissione.

Vantaggi

Assenza di slittamento dei pneumatici quando sono a contatto con differenti fondi stradali (ad esempio ruota motrice destra sul breccino, ruota motrice sinistra sull’asfalto).

Aumento di stabilità del veicolo, conseguentemente anche della sicurezza, in caso di manovre di emergenza (ad esempio schivando un ostacolo improvviso).

Miglioramento della dinamica di guida, maggiore facilità di inserimento in curva, prevenzione di situazioni di sottosterzo/sovrasterzo eccessivi.

Continua…

Image’s copyright: ZF Friedrichshafen AG

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