Categoria: Motorismo, Motorsport e Meccatronica

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.

Continua…

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Dal motore L537 della Lamborghini Murcielago LP 640 al… – Parte quarta
Dal motore L537 della Lamborghini Murcielago LP 640 al… – Parte quinta

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