La fase meccanica

Tutti conosciamo le quattro fasi di un motore a scoppio quattro tempi:

1. Aspirazione: introduzione della miscela aria-combustibile nel cilindro.
2. Compressione: compressione volumetrica della miscela aria-combustibile. Prima della fine della fase di compressione inizia la fase di combustione o scoppio.
3. Espansione: espansione volumetrica dei gas prodotti dalla combustione della miscela aria-combustibile. All’inizio della fase di espansione si ha il termine della fase di combustione o scoppio.
4. Scarico: espulsione dei gas combusti dal motore.

Nel motore quattro tempi le fasi meccaniche sono regolate dalle aperture e chiusure delle valvole di aspirazione e scarico. Come si intuisce dall’immagine sopra, affinchè un motore quattro tempi compia un ciclo completo di funzionamento, deve effettuare due giri di albero motore. L’implicazione più immediata di questa caratteristica è che si ha una fase utile (espansione) ogni due giri di albero motore. Chiaramente le valvole di aspirazione e scarico dovranno essere aperte e chiuse seguendo dei concetti di base:

• non dovranno interferire con il moto del pistone durante il suo movimento in prossimità della camera di scoppio
• non dovranno toccarsi fra loro durante il loro moto di apertura e chiusura
• dovranno aprirsi e chiudersi in funzione delle capacità respiratorie ed evacuatorie del motore per evitare perdite di carica di miscela aria-combustibile che transita dal condotto di aspirazione direttamente nel condotto di scarico

Nei motori Ducati il moto delle valvole è comandato da dei bilancieri che spingono in apertura e tirano in chiusura ciascuna valvola. I bilancieri, a loro volta, sono comandati dagli alberi a camme e questi ultimi sono collegati, a mezzo ingranaggi pulegge e cinghie (catena sui Desmosedici e Superquadro) direttamente con l’albero motore. Per far sì che si abbia un funzionamento corretto, gli alberi a camme si dovranno muovere ad una velocità dimezzata rispetto all’albero motore. Per far sì che tutti i criteri sopra esposti siano rispettati e che il motore funzioni, si deve studiare – motore per motore – quando far aprire e chiudere ciascun tipo di valvola (aspirazione e scarico) rispetto alla posizione dell’albero motore (e quindi del pistone all’interno del cilindro). Il moto delle valvole, rispetto alla posizione angolare dell’albero motore, altri non è che la fase meccanica del motore.

Per studiare in modo univoco (per tutti i motori!) la fase meccanica, si prendono i valori angolari dell’albero motore rispetto al Punto Morto Superiore (PMS) e Punto Morto Inferiore (PMI). A questi acronimi vengono normalmente preposte le lettere P o D. Le lettere P e D prima di PMS e PMI indicano, rispettivamente, “Prima” e “Dopo”.

Ad esempio, PPMI stà a significare Prima (del) Punto Morto Inferiore. Chiaramente, PMS e PMI, rappresentano le due posizioni estreme che può avere un pistone scorrendo nel cilindro.

Rispetto a queste due posizioni, si possono valorizzare – in gradi di rotazione dell’albero motore – i momenti di apertura e chiusura delle valvole. Per convenzione, l’angolo giro descritto dall’albero motore è diviso in quattro quadranti. Nel caso dei motori Ducati, dove il cerchio goniometrico si installa sul lato volano del motore e che visto da quel lato il motore (nel suo funzionamento) ruota in senso antiorario, partendo dal PMS ed andando in senso orario avremo quindi:

• 0°-90° DPMS
• 90°-0° PPMI
• 0°-90° DPMI
• 90°-0° PPMS

I quattro quadranti, riportati su un cerchio goniometrico, andranno a rappresentare un intero angolo giro che viene rappresentato graficamente come nell’immagine a lato. Questo rappresentato è un così detto “cerchio goniometrico”. Lo stesso, riportato su un disco calettato su un’estremità dell’albero motore permetterà di valutare i gradi di anticipo o di ritardo rispetto al PMS ed al PMI. Si dovrà provvedere a realizzare un indice fisso fissato al motore sul quale si dovrà allineare, azzerandolo, il cerchio goniometrico dopo aver posizionato il pistone del cilindro sul quale stiamo lavorando al PMS in fase di scoppio.

Ecco un esempio di cerchio goniometrico applicato ad un motore Ducati utilizzando l’apposito ricettacolo presente sul lato sinistro del motore. Per riportare graficamente la durata delle fasi sul cerchio goniometrico, dopo averle annotate prendendole direttamente sul motore o dal manuale officina, è possibile scaricare questo comodo file PDF:LINK. Senza scendere direttamente nei particolari dello studio della fase direttamente sui motori Ducati, riporto un esempio teorico di come utilizzare graficamente il cerchio goniometrico in modo da capire visivamente come funziona il nostro motore. Mettiamo di aver preso i valori da un manuale officina.

Sul manuale trovate scritto che una valvola di aspirazione apre 15° PPMS e chiude 17° DPMI (i valori sono presi a caso…). La fase completa avrà quindi una durata di 17°+180°+15°=212°. Lo riportiamo quindi sul diagramma, evidenziando l’area circolare che ci interessa di colore blu. Prendiamo per praticità la prima corona circolare dal centro. Il verso di rotazione del motore (prendiamo per convenzione che lo si vede sempre dal lato destro) è antiorario.

Il nostro motore ha la valvola di scarico che si apre 8° PPMI e si chiude 10° DPMS. Riportiamolo sullo stesso diagramma ed avremo, evidenziando la fase di scarico in marrone nella seconda corona circolare a partire dal centro. Sull’ultima corona circolare, in prossimità del PMS, evidenziamo in rosso sulla terza ed ultima corona circolare, la zona in cui aspirazione e scarico si sovrappongono: ecco a voi la mitologica “fase di incrocio”, momento in cui sia le valvole di scarico che di aspirazione saranno entrambe aperte. Sul nostro motore “X” avremo quindi:

• aspirazione= 212°
• compressione= 148°
• espansione= 172° (ponendo a 0°PMS l’accensione della miscela)
• scarico= 198°
• incrocio= 25°

I valori di interesse, in sede di messa a punto della fase meccanica, sono:

• aspirazione
• scarico
• incrocio

Ecco analizzata una fase meccanica di un ipotetico motore. Sul file .pdf che ho linkato sopra, potete indicare i valori previsti nel primo schema a griglia in prima pagina (valori standard). Nei quattro successivi schemi a griglia (due per ciascun cilindro) potete indicare i valori riscontrati effettivamente sul motore ed i valori a cui si vuole aspirare durante la regolazione di fino della fase (non coincidono necessariamente con la fase prevista dal manuale) e quindi le eventuali differenze in + o – in gradi di rotazione dell’albero motore. Le considerazioni da farsi in sede di analisi teorica di una fase meccanica di un motore sono legate non solo ai valori angolari, ma anche all’alzata delle valvole, diametro valvole, lunghezza e conformazione condotti, tipologia di impiego del motore, ecc., quindi tutt’altro che semplici da affrontare. L’importante è cercare di capire come si è messi con fase meccanica e se sia possibile modificarla convenientemente ottimizzando il motore con la configurazione che abbiamo al momento. Già riuscire ad applicare delle fasi meccaniche super-collaudate da anni di esperienza e prove sui banchi prova, porta a sicuri risultati. Troverete anche una curiosa indicazione: “linea di centro”… è un valore puramente matematico che permette ad una rapida occhiata e conoscendo la durata totale di una fase quanto questa è anticipata o posticipata e quindi di valutare (qui serve esperienza…) come e dove intervenire per eventuali ottimizzazioni nella fase di messa a punto. La vedremo in un prossimo articolo.