LA PRESSIONE MEDIA EFFETTIVA
di Pino Mancuso
In figura si può osservare quello che è
il diagramma di funzionamento di un motore a quattro tempi
riportato in un piano di coordinate pV (pressione, Volume),
ovvero come sono legate tra loro la pressione e la posizione del
pistone durante i due cicli di funzionamento di un motore 4T.
Guardiamo per un attimo la figura. Se seguiamo il percorso
indicato dalle frecce abbiamo che il ciclo totale è somma di due
cicli: uno compiuto in senso orario (che contiene le fasi di
compressione, combustione ed espansione) e l'altro in senso
antiorario (fasi di aspirazione e scarico). Con patm ho indicato
la pressione atmosferica. Il primo ciclo fornisce lavoro, il
secondo no. Il secondo è anche quello che viene definito
pompaggio.La somma algebrica delle due aree ci da il lavoro utile
che ricaviamo alla fine dei quattro tempi di funzionamento
(ovvero ogni due giri dell'albero motore). Dal punto di vista
matematico è possibile rappresentare quest'area come un
rettangolo di area equivalente ed avente per base la cilindrata V
del nostro cilindro. L'altezza di questo rettangolo è una
pressione e precisamente la pressione media indicata (pmi). Il
lavoro ottenuto lo possiamo esprimere come:
Li = pmi * V
Ora la potenza è il
lavoro generato nell'unità di tempo (il secondo nel nostro
caso). Poiché il motore ruota a un numero n di giri al minuto e
le fasi utili che si ricavano sono pari alla metà dei giri
compiuti, ricaviamo per la potenza indicata, espressa in cavalli
[CV], l'espressione:
Nella formula riportata
bisogna esprimere: pmi in [bar], V in [cm3] ed n [giri/min.]. Così
facendo la costante C presente nella relazione è pari a: C = 4413
Questa rappresenta la potenza che mediamente il fluido cede al
motore avente cilindrata V quando questi stia ruotando al regime
n. La potenza che si può leggere al banco non è quella
indicata, bensì inferiore a causa delle perdite meccaniche
dovute agli attriti tra pistone e cilindro, tra biella e albero,
ecc. La potenza rilevata (che viene indicata con effettiva) è
pari a:
Pe = m*Pi
dove m è il rendimento
meccanico. Ricordando l'espressione di Pi si ricava:
Per comodità e per
coerenza si conglobano i primi due fattori dell'espressione di Pe
insieme ottenendo quella che comunemente viene indicata come
Pressione Media Effettiva:
pme = m*pmi.
A differenza di pmi la
pme non è una media delle pressioni del ciclo, perché è legata
a pmi tramite un parametro, il rendimento, che non è affatto
costante con il numero di giri del motore. La pme è
importantissima nella verifica delle prestazioni di un motore e/o
nel suo progetto. Parlare di pme significa, come abbiamo ben
visto, parlare di potenza. Essa è direttamente dipendente dalla
densità della miscela aspirata, dalle qualità chimiche del
combustibile e dal coefficiente di riempimento del cilindro.
Infatti una maggiore densità significa un aumento della quantità
di miscela che partecipa alla combustione quindi, di riflesso, un
maggiore aumento di temperatura nella fase di scoppio ovvero, per
la legge dei gas, una pressione maggiore. Questo significa
migliorare quanto più possibile il coefficiente di riempimento
del cilindro, e spiega le ragioni per cui con la
sovralimentazione (turbocompressori, o compressori volumetrici)
si raggiungono elevate potenze; e anche perché si cerca di
sfruttare l'effetto degli airbox (dove la velocità di ingresso
dell'aria viene trasformata in pressione). Quindi ancora ecco
spiegato il motivo di avere quattro valvole invece di due
(abbiamo infatti una maggiore sezione di passaggio, e quindi più
portata, aumento del coefficiente di riempimento e così via a
ritroso fino alla maggiore potenza), ovvero di avere condotti
quanto più possibile "puliti", senza spigoli vivi e/o
deviazioni brusche e quindi quanto più rettilinei possibile per
non sprecare l'energia di pressione così preziosa. Una maggiore
densità la si può ottenere abbassando la temperatura in
ingresso della miscela, da cui l'uso, nei soli motori
turbocompressi però, dei famosi intercooler (scambiatori di
calore ariaaria). Le qualità chimiche del combustibile si
riflettono nella pme attraverso una maggiore temperatura alla
fine della fase di scoppiocombustione, per cui, come detto in
precedenza, una maggiore temperatura. Da qui l'uso di benzine
speciali che possano consentire di ottenere questo effetto,
ovvero la miscelazione di nitroderivati (protossido di azoto,
nitrometano, nitrobenzolo, ecc.) che liberando una maggiore
quantità di ossigeno consentono l'immissione di una miscela
molto ricca di benzina che bruciando permette il raggiungimento
di una temperatura maggiore e così via. Ovviamente questi sono
solo una serie di suggerimenti qualitativi che il progettista
segue. In realtà le varie limitazioni cui è soggetto (normative
antinquinamento, regolamenti tecnici da rispettare, buonsenso,
ecc.) gli impongono l'uso o il divieto delle possibili migliorie
citate che comunque vanno sempre verificate al banco prova.
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