Lunedì, 12 March 2018 15:33

La cilindrata In evidenza

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Tutto quello che c'è da sapere

Anche se non hanno una grande tradizione filosofica alle spalle, spesso gli americani riescono a sintetizzare al meglio concetti complessi con frasi elementari.”There’s no sostitute for cubic inches”, ovvero non ci sono sostituti per i pollici cubi: è un esempio di questa filosofia spicciola!

 

Oggi i kit di trasformazione vengono sviluppati con progettazione CAD, per definire con precisione l’andamento dei travasi e delle luci di scarico. Oltre alla cilindrata, è di fondamentale importanza che il motore respiri correttamente agli alti regimi per poter esprimere valori di potenza e coppia consoni (Malossi Engineering)

La cilindrata, in base ai più semplici fondamenti della geometria, è data dal volume del o dei cilindri del motore con il pistone al punto morto inferiore: di conseguenza, varia in base alle misure del diametro (alesaggio) e alla corsa (distanza tra il PMS e il PMI) dei cilindri stessi. Maggiore è la cilindrata, maggiore sarà la quantità di miscela aria/benzina bruciata ad ogni ciclo. Poi, è ovvio, molti altri fattori possono influenzare la resa del motore, la quantità di miscela effettivamente bruciata ad ogni ciclo e il rendimento del motore inteso come macchina termica (parliamo di rendimento termico, organico e volumetrico), ed è anche vero che un 50 cc ottimizzato sotto tutti i punti di vista sarà più potente di un 100 cc in cui i medesimi fattori non sono stati ottimizzati, ma è altrettanto pacifico che, con un pari livello di sviluppo, la cilindrata fa la differenza. Non a caso l’elemento distintivo delle varie categorie nelle competizioni motoristiche è sempre legato alla cilindrata…

Come si procede quando si decide di aumentare la cilindrata di un propulsore 2 tempi? E’ meglio far crescere l’alesaggio, la corsa o entrambi questi parametri?

Il buon senso, un catalogo originale di ricambi, un’occhiata ai materiali realizzati dalle aziende specializzate e una sbirciata nel nostro portafogli sono, mai come in questo caso, i migliori consiglieri.

Dare un’occhiata alle varie versioni disponibili sul mercato italiano ed estero, in quanto le economie di scala obbligano ormai tutti i costruttori a raschiare il barile in questo senso, è sempre una buona base di partenza. Se c’è una versione 80 cc del nostro amato cinquantino, siamo a posto: un catalogo ricambi servirà per capire cosa c’è da sostituire per poter sfruttare, nel nostro piccolo, le economie di scala delle grandi aziende. La modularità costruttiva può rappresentare un effettivo vantaggio per ogni elaboratore affamato di cavalli e chilogrammetri: chi non ricorda le stregonerie fatte sui motori Piaggio ai tempi della Sfera 80 cc? La cosa più importante, in questa prima ricerca, è di effettuare una verifica a 360°: costruire un albero motore da zero può costare un’enormità. E’ ovvio, però, che componenti originariamente studiati per motori stradali possono lamentare problemi di tenuta quando si cerca di raggiungere potenze molto elevate.

Se il motore non ha una versione di maggiore cilindrata le cose si complicano un po’, ma a tutto c’è una soluzione…

La modifica più semplice e meno costosa è quella relativa all’incremento dell’alesaggio. Per semplificare il discorso, parliamo di monocilindrici.

Un buon catalogo pistoni e una buona rettifica, un tempo, rappresentavano la soluzione più semplice per ottenere il massimo risultato ad un prezzo ragionevole.

Le cose, nel corso dei tempi, sono cambiate…

 

Alesaggio o corsa maggiorati?

Per incrementare la cilindrata, montando kit con alesaggio e corsa maggiorati, può essere necessario lavorare il carter motore per aumentare il diametro di alloggiamento della camicia del cilindro e il diametro della camera di manovella per poter installare un albero motore a corsa lunga. Il limite di tali modifiche è dato dalla quantità di materiale presente sul carter di serie

Nel momento in cui si decide di incrementare la cilindrata di un motore, si devono valutare i vantaggi e i costi che si possono ottenere lavorando su alesaggio, corsa o entrambe le misure in relazione al vantaggio effettivo che si può conseguire.

Geometricamente è facile dimostrare che l’aumento di cilindrata ottenibile con incrementi di alesaggio è in funzione quadratica, mentre quello relativo alla variazione della corsa è in funzione lineare e inferiore a 1. Questo significa sostanzialmente che 1 mm in più sull’alesaggio permette un aumento di cilindrata nettamente superiore a quello assicurato da 1 mm in più sulla corsa. Si prenda, ad esempio, a un motore scooter 49 cc alesaggio 40 mm e corsa 39 mm: aumentando di 1 mm l’alesaggio si ottiene una cilindrata pari a 51,46 cc con un guadagno di oltre 2,5 cc; aumentando di 1 mm la corsa, invece, si ottiene una cilindrata di 50,24 cc, con un incremento di 1,3 cc. Se si considera poi questo vantaggio in relazione alla semplicità di montaggio ed economia costruttiva di un kit cilindro/testa/pistone, si capisce perché, quando si parla di incremento di cilindrata di un motore monocilindrico 2 tempi, si finisce quasi sempre per parlare di alesaggio maggiorato… Si può ottenere anche lo stesso aumento di cilindrata lavorando sulla corsa, ma poi il problema è l’aumento della velocità lineare dello stantuffo che, oltre certi limiti, obbliga a ridurre il regime massimo di rotazione o all’impiego di materiali migliori e più costosi. L’opportunità dell’incremento della corsa è interessante soprattutto quando la base di partenza è un motore a corsa corta; in questi due casi il regime massimo di rotazione non rappresenta un grosso problema in quanto il corsa corta può subire aumenti di corsa senza raggiungere immediatamente i limiti di resistenza strutturale del pistone e della biella.

Un altro fattore di fondamentale importanza nella maggiorazione dell’alesaggio e/o della corsa è la quantità di materiale del carter e del cilindro e il disegno del motore: se la biella non gira nel carter motore quando si incrementa la corsa, se la camicia del cilindro è ridotta all’osso, effettuare incrementi di cilindrata diventa molto più difficile ma, anche in questi casi, non impossibile. Alla mancanza di spazio spesso fa da contrappeso una buona fantasia!

 

Problematiche dell’incremento dell’alesaggio: cilindri in ghisa

 

particolare di un cilindro bimetallico. Il cilindro è realizzato in alluminio, per dissipare meglio il calore. La canna è in ghisa, per resistere allo scorrere del pistone e per essere rettificata facilmente in caso di grippaggio. I cilindri kart 100 e 125 TAG sono tutti realizzati con questa tecnologia

Un cilindro in ghisa si presta benissimo a interventi di rettifica: un rettificatore esperto può effettuare un’alesatura perfetta sia sotto il punto di vista dimensionale che di finitura. Essendo i cilindri 2 tempi dotati di canali di travaso, bisognerà tenere in considerazione, in questa fase di lavorazione, la riduzione di materiale di certe pareti che, una volta sottoposte a stress meccanici e termici, potrebbero cedere. Oppure un’eccessiva asportazione di materiale in prossimità dei tratti finali dei condotti potrebbe variare negativamente il flusso di lavaggio. Per maggiore sicurezza, sarebbe sensato sezionare un cilindro di campione e misurare gli spessori prima di montare il nostro motore…

E’ di fondamentale importanza rispettare le quote di tolleranza consigliate dal produttore di pistoni in quanto un errore in eccesso può provocare blow-by, ovvero trafilaggi di gas incandescenti dalla camera di scoppio sin sotto i segmenti, con rischi di grippaggio per combustione del velo d’olio sulla canna, perdite di potenza e una spiacevole rumorosità (scampanellio). Un errore in difetto può determinare invece un grippaggio dell’accoppiamento canna/pistone o, se si è più fortunati, una carenza di allungo del motore. La tolleranza ideale su un alesaggio 47 mm in ghisa è di circa 5/100 di mm: la canna si misura con un al esametro in tutta la sua lunghezza, mentre il pistone si misura nella parte bassa del mantello. Fidatevi il giusto delle misure riportate sul cielo…

Alcune canne in ghisa, a detta di alcuni costruttori, sono trattate per garantire una migliore scorrevolezza e durata nel tempo. Se si vuole ripetere questo tipo di trattamento post rettifica, è sconsigliabile effettuare solfonitrurazioni in quanto si possono generare delle tensioni nel metallo, foriere di rotture, e l’assestamento canna/segmenti è lungo e problematico per via delle caratteristiche tribologiche dei metalli così trattati. Se la solfonitrurazione “dolce” della canna viene abbinata a segmenti in ghisa non cromati, l’adattamento è molto più rapido: i segmenti cromati non si assestano praticamente mai su una canna trattata mediante solfonitrurazione.

Anche se qualcuno si è ostinato a effettuare prove in questo senso, è assolutamente sconsigliabile il riporto in nikasil sulla ghisa.

Il trattamento oggi più diffuso per ghise perlitiche da canne di cilindri è la fosfatazione al manganese. Questo trattamento, oltre a non generare tensioni nella struttura cristallina del metallo, permette di migliorare la scorrevolezza e di ridurre drasticamente il rischio di grippaggio. L’alesaggio si riduce di circa 2-3/100 di mm sul diametro, che spariscono dopo circa 1 ora di rodaggio ben eseguito con cicli termici caldo/freddo. L’assestamento con i segmenti, anche cromati, è rapido e la tenuta ottima. Il rischio di grippaggio con questo trattamento si riduce drasticamente, tanto che alcune Case lo impiegano da tempo su motori di serie.

 

Incremento dell’alesaggio nei cilindri in alluminio

 

Cassa d’anime del cilindro TCR 80 cc. In questo caso il cilindro nasce corsa lunga e alesaggio 47,6 cc, con la giusta quantità di materiale tra la canna e i condotti di travaso per garantire una perfetta tenuta

La procedure per l’incremento dell’alesaggio nei cilindri in alluminio è decisamente diversa rispetto a quelli in ghisa. L’alluminio, infatti, non possiede ottime caratteristiche di resistenza allo strisciamento come la ghisa e, se il pistone scorresse direttamente sull’alluminio nudo, lo disintegrerebbe in pochissimi istanti.

Alla leggerezza e capacità di smaltimento del calore dell’alluminio bisogna abbinare la resistenza meccanica allo strisciamento e la durezza tipici di altri metalli o materiali proprio nelle canne.

Le soluzioni sono diverse.

La più classica, che tutti abbiamo imparato a conoscere nel tempo, è quella delle canne in ghisa montate per interferenza, introdotta su larga scala nei motori monocilindrici già negli anni ’70 (vedi Aspes 125 Yuma o i kart 100 cc). Le canne montate per interferenza si possono rettificare o addirittura sostituire con relativa facilità e abbinano alle eccellenti caratteristiche di dissipazione del calore dell’alluminio quelle di resistenza meccanica della ghisa, oltre a una notevole facilità di lappatura e rettifica.

Quando ci si trova di fronte a riporti in nikasil, ovvero una matrice di nichel con carburi di silicio applicata galvanicamente direttamente sull’alluminio, se si vuole incrementare l’alesaggio non c’è altra soluzione che eliminare il riporto, effettuare la lavorazione e realizzare un nuovo riporto galvanico sulla canna alesata. Il costo per un simile intervento non è eccessivo, ma i tempi sono piuttosto lunghi ed è sempre meglio evitare di esagerare con l’aumento dell’alesaggio per non indebolire la struttura della canna: l’alluminio è molto più sensibile della ghisa alle variazioni di spessore delle pareti!

A livello di tolleranza di accoppiamento, valgono gli stessi principi accennati per la ghisa: l’alluminio, però, permette tolleranze di accoppiamento più strette.

 

Problematiche legate all’incremento della corsa

Albero motore pronto per essere assemblato. Quando si incrementa la corsa è di fondamentale importanza lasciare il giusto margine tra il foro del perno della biella e la parte esterna del piattello. Se non si rispettano le giuste quota, si rischiano flessioni e rotture

 

La biella, nei motori corsa lunga, è più stressata rispetto ai corsa corta in quanto la velocità lineare dello stantuffo, e con essa l’inerzia, sono maggiori a parità di giri. La Malossi sfrutta un particolare programma in grado di simulare questi stress per individuare i punti da rinforzare sulle loro bielle ricavate dal pieno

 

Evidenti segni di usura sul mantello di un pistone dovuti ad un eccesso di spinta laterale. Impiegando una biella più lunga, con un interasse vicino al doppio del valore della corsa, questa usura tende a diminuire e, con essa, si evitano perdite di potenza per attrito. La biella lunga permette anche maggiori valori di anticipo di accensione e di incrementare la volumetria del carter pompa

 

Nei motori corsa lunga è di fondamentale importanza la scelta di un cuscinetto di biella estremamente affidabile, considerando l’incremento della velocità lineare dello stantuffo e la sua inerzia

Oltre a dover valutare attentamente l’interazione tra incremento della corsa, regime massimo di rotazione raggiungibile e il relativo guadagno marginale ottenuto rinunciando ad alcune centinaia di giri in cambio di cilindrata, ci sono altre problematiche di questo tipo di intervento che vanno assolutamente valutate. In primo luogo deve essere assolutamente tenuta in massima considerazione la misura dell’interasse di biella in rapporto alla corsa. La meccanica vorrebbe che la biella avesse un interasse doppio rispetto alla corsa, per assicurare angoli di spinta contenuti sulla canna. In questo modo si riducono drasticamente gli attriti e l’usura dell’accoppiamento cilindro/pistone. Alcuni motori corsa 44 mm, in quest’ottica, sono stati abbinati a bielle con interasse 85 o 90 mm, a seconda delle esigenze progettuali del propulsore. Anche un leggero disassamento del pistone può in questo caso essere di grande aiuto per ridurre i valori di spinta soprattutto nella fase discendente del moto del pistone: una biella più corta è nettamente più leggera di una più lunga di 5 mm e ogni soluzione per alleggerire le masse in moto alterno è sempre ben accetta…

Economicamente parlando, se una variazione della corsa del motore può essere molto conveniente per le grandi case a livello di costi di produzione finale, lo stesso non si può dire per i preparatori: si immagini, ad esempio, il costo di acquisto in un albero motore e il vantaggio marginale in termini di incremento della cilindrata per millimetro di variazione rispetto a quanto accade per la corsa. Montando un albero a corsa lunga si deve adeguare diagramma e altezza luci in base ai parametri del nuovo motore. Per l’albero motore, poi, il discorso è piuttosto variegato. Se l’albero a corsa lunga può essere acquistato come ricambio originale o come componente di un’elaborazione, non è un grosso problema. Disassare l’asse di accoppiamento è un classico lavoro che può essere fatto senza troppe difficoltà, a patto che resti del materiale tra il foro del perno e il perimetro dei volantini dell’albero motore. Il lavoro è relativamente semplice: se c’è materiale, si incrementa il foro del perno di biella lavorando verso l’esterno, per poi montare una biella specifica per il perno di maggiore diametro.

Parliamo poi di velocità lineare del pistone.

La velocità lineare del pistone è la velocità media dello stesso a un determinato regime di rotazione.

Ovviamente, aumentando la corsa, aumenta anche la velocità lineare del pistone a parità di regime di rotazione: a 14000 giri/min. la velocità lineare del pistone in un motore corsa 39,3 mm è di 18,33 m/s, mentre per il corsa 44 mm arriva addirittura a 20,53 m/s. E’ ovvio che lo stress per i materiali, come biella e pistone, aumenta in modo considerevole al salire della corsa anche a parità del regime massimo di rotazione: per questo devono essere impiegati, possibilmente, pistoni più leggeri e resistenti (soprattutto a livello di portate/supporti dello spinotto) in abbinamento a bielle in acciaio ricavate dal pieno e cuscinetti di biella di prima classe. L’’aumento dello stress è dato dall’inerzia del pistone, che cresce all’aumentare della corsa.

Anche il perno di biella, poi, deve essere correttamente dimensionato: talvolta si passa da perni da 16 a 18 mm di diametro sui motori scooter per garantire una maggiore stabilità agli alti regimi e ridurre i carichi sui cuscinetti.

Ovviamente i limiti di incremento della corsa sono legati anche alla quantità di materiale del carter motore: l’albero a corsa lunga ha spesso un diametro maggiore e obbliga, oltre certe misure, a barenare la camera di manovella per poter entrare.

E’ inutile fare un corsa 48 mm se poi il nostro carter diventa un velo di cipolla: prima di tutto, infatti, un motore deve poter stare insieme…

Il cilindro del “corsa lunga”

Il cilindro, quando si tratta di variazioni della corsa di 1 mm o poco più, può essere spessorato con un distanziale rettificato; la Top Performances produce alberi motore corsa 40,2 mm da abbinare a cilindri per motori corsa originale. Questo tipo di albero, che viene fornito in kit con una guarnizione testa più alta di 0,5 mm, montato in questo modo permette una variazione del diagramma di distribuzione di circa 6°: oltre che dai 2 cc in più di cilindrata, l’incremento di potenza e rotazione viene dato anche e soprattutto dalla fasatura più spinta che si ottiene. Se abbinato ad un cilindro già molto spinto, però, il rischio è di trovarsi fuori diagramma…

Se si tratta di un aumento di corsa superiore a 1 mm, occorre lavorare in altro modo. Solo i cilindri in alluminio possono essere abbinati a delle piastre saldate sia nella zona inferiore che superiore: bisogna infatti tenere in considerazione che, per ogni mm in più di corsa, il pistone scende 0,5 mm in più in basso e salirà di 0,5 mm più in alto rispetto ai valori del PMI e del PMS del corsa standard. Passando da una corsa 39,2 mm a una corsa 44 mm, il pistone scenderà di 2,4 mm in più rispetto al PMI originario e salirà di 2,4 mm in più rispetto al PMS originario: cosa significa ciò? Che bisognerà fresare il cilindro di 2,4 mm nella parte inferiore per allineare i travasi al cielo del pistone al PMI e alzarlo di 4,8 mm nella parte superiore. Se poi la biella è più lunga di 5 mm rispetto a quella dell’albero corsa 39,2 mm, lo spessore di 5 mm dovrà essere messo sotto il cilindro. Considerando i 2,4 mm di alluminio che si dovevano togliere, bisognerà aggiungere soltanto un distanziale da 2,6 mm, incollato (con tanto di spine di centraggio per stabilizzare il sandwitch) o saldato (con tutti i problemi annessi in termini di lavorazioni meccaniche per ripristinare la perfetta ortogonalità dei piani e della canna…). La flangia superiore, dovendo garantire una perfetta tenuta della canna, dovrà invece essere saldata. Per crearsi meno problemi possibili, allora, una buona soluzione è montare una flangia con spine ad astuccio nella parte inferiore e saldare soltanto la flangia superiore: meno si salda, meno si scalda il cilindro, meno si scalda il cilindro, meno si deforma. Una volta ripristinata l’ortogonalità tra piano testa, piano appoggio carter e canna (e magari aver ottimizzato conformazione dei travasi e diagramma di distribuzione), si potrà effettuare una nuova nichelatura della canna. Per evitare problemi di differenti coefficienti di dilatazione, non è da scartare l’idea di utilizzare (quando possibile) un cilindro da rottamare dello stesso costruttore per creare la flangia superiore o inferiore…

Nei cilindri in ghisa, invece, non si può effettuare nessun tipo di saldatura, pena deformazioni a caldo foriere di rotture.

Proprio per evitare di saldare, squadrare e nichelare nuovamente il cilindro, molti partono adottando il cilindro di altri motori già in quella corsa o acquistando kit pronti.

I vantaggi della corsa lunga

I motori a corsa lunga, però, presentano dei vantaggi da tenere in massima considerazione. Il primo, e più evidente, è quello di mantenere compatta la dimensione della camera di scoppio, ottimizzando il rendimento termico del motore ed evitando tutti i problemi relativi all’innesco di detonazioni quando l’alesaggio sale considerevolmente. Sui motori scooter alesaggio 50 mm è ovvio che simili problemi non esistono… La necessità di non variare dimensionalmente lo spessore delle canne per ottenere una maggiore stabilità delle stesse anche in presenza di elevate pressioni e temperature sconsiglia, in linea di massima, eccessivi incrementi di alesaggio dove non c’è la giusta quantità di materiale.

La corsa lunga, poi, assicura uno spostamento in basso e un incremento della coppia massima che, come ovvio, è sempre cosa gradita sui motori dotati di trasmissione automatica CVT, che soffrono quando i regimi di rotazione salgono in modo considerevole.

Alesaggio e corsa: un rapporto fondamentale nel 2 tempi

 

Sezione di un motore Cagiva Mito 125. Le misure caratteristiche di questo monocilindrico sono 56 mm per l’alesaggio e 50,6 mm per la corsa: si tratta di un motore corsa corta o superquadro. Questo tipo di soluzione garantisce un time area maggiore rispetto a un quadro e un rendimento volumetrico maggiore al salire dei giri: a beneficio della potenza massima e a scapito della coppia

Cilindro di un motore Rotax per Aprilia RS 125 SP. Le misure caratteristiche di questo motore, dotato di una buona coppia, sono di 54 x 54,5 mm. Tutti i motori 125 GP oggi presenti nel mondiale hanno queste stesse misure caratteristiche di alesaggio e corsa

 

Superficie delle luci riportata su carta millimetrata per lo studio del time area. Nei motori corsa corta il time area è maggiore rispetto a quelli corsa lunga o quadri. Nel mondo degli scooter 2 tempi, fatta eccezione per i 50 cc, parliamo quasi esclusivamente di corsa corta: soluzione molto valida con le trasmissioni CVT e adatta al tipo di cilindrata

La combinazione dei valori di alesaggio e corsa è un elemento essenziale nella caratterizzazione di un motore endotermico. Un motore corsa corta consente di ottenere regimi di rotazione elevatissimi a parità di velocità lineare dello stantuffo rispetto ad un corsa lunga: questo vantaggio, evidente e sfruttatissimo nei 4 tempi ad alta potenza specifica, non garantisce gli stessi vantaggi sui 2 tempi in quanto limita fortemente il dimensionamento e l’efficienza della travaseria.

Il rapporto alesaggio/corsa è di fondamentale importanza in questo senso: quando queste due misure sono equivalenti, parleremo di un motore “quadro”, quando l’alesaggio è maggiore della corsa e il rapporto è superiore ad 1 parleremo di “superquadro”, quando la corsa è maggiore dell’alesaggio parleremo di corsa lunga o “sottoquadro”.

E ora passiamo all’annosa questione della corsa dei nostri amati scooter.

E’ meglio un quadro, un sottoquadro o un superquadro per far mangiare tonnellate di polvere ai nostri avversari? Beh, se date un occhio alla tabella 1 noterete come la maggior parte dei motori 125 cc da velocità abbia misure quadre 54 x 54,5 mm e che la soluzione 56 x 50,6 sia stata persa con l’ultima Yamaha 125 TZ pre-Bartol. Il corsa corta, infatti, ha un maggiore time/area rispetto a un quadro e ha un migliore rendimento volumetrico al salire dei giri. Il quadro, invece, ha più coppia in basso ma, superati certi regimi di rotazione, ha un’efficienza volumetrica minore del corsa corta.

In buona sostanza il corsa corta respira meglio del corsa lunga al salire di giri.

Però la potenza agli alti regimi non è tutto e nelle corse serve anche coppia e qualità di erogazione: ora, se in una moto per il mondiale GP 125 il massimo rendimento si ha con un 54 x 54,5 a scapito dei 56 x 50,6, non è detto che sia lo stesso su un motore dotato di trasmissione CVT derivato da un 50 cc e caratterizzato da alcuni limiti costruttivi.

Anche per analogia con tutti i motori 80 cc fino ad oggi prodotti, in cui si cerca di ottenere potenze elevate anche a regimi di rotazione piuttosto alti, nella maggior parte dei casi si punta sempre su misure prossime al 48 x 44.

 

Letto 1162 volte Ultima modifica il Martedì, 13 March 2018 15:45
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