All’inizio del XX secolo, quando i progressi della progettazione erano in pieno svolgimento, il motore con una capacità di 10 litri poteva essere un monocilindrico o, ad esempio, un otto cilindri in linea. A quel tempo, nessuno si stupiva del motore a sei cilindri in linea da 23 litri o del motore radiale a sette cilindri di un aereo installato su un’automobile…
Tuttavia, la crescita della capacità produttiva, il fatturato e la lotta accanita per ridurre i costi di produzione misero ogni cosa al suo posto. Il più semplice motore monocilindrico divenne un ricordo del passato remoto per le case automobilistiche. La cilindrata media di un motore automobilistico convenzionale va oggi dai trecento ai seicento centimetri cubici. Prestazioni per litro: da 35 CV/l per un diesel ad aspirazione normale a 100 CV/l per un motore a benzina ad aspirazione naturale ad alta potenza. Questo è l’optimum per i motori prodotti in serie ed è semplicemente poco redditizio andare oltre.
Oggi, il motore da 100 CV ha nella maggior parte dei casi quattro cilindri, quello da 200 CV quattro, cinque o sei cilindri, quello da 300 CV otto… Ma come possono essere disposti questi cilindri? In altre parole, secondo quale schema i produttori possono costruire un motore multicilindrico?
La semplicità è peggiore della compattezza
Qual è la questione più sentita dal progettista? Innanzitutto, la questione di come semplificare il progetto del motore in modo che sia più economico da produrre e più facile da mantenere. Il motore diritto è il più semplice. Per ottenere la capacità richiesta, i progettisti devono disporre il numero necessario di cilindri in fila.
I motori a due e tre cilindri non si trovano spesso nelle auto, anche se la tendenza dei motori a due cilindri sta prendendo piede. Ciò è facilitato da sistemi di miscelazione avanzati e dall’uso della sovralimentazione (come, ad esempio, nella versione turbo a due cilindri da 85 CV della Fiat 500 hatchback). Ma il motore a quattro cilindri in linea rientrava nella gamma più ampia di capacità delle autovetture: da 1 a 2,4 litri.
I motori a cinque cilindri in linea sono apparsi sulle auto di serie relativamente di recente, a metà degli anni ’70. Il primo è stato Mercedes-Benz con il suo motore a quattro cilindri in linea. La prima è stata Mercedes-Benz con i suoi motori diesel a cinque cilindri, apparsi nel 1974 (sul modello 300D con telaio W123). Due anni dopo, venne prodotto il motore Audi a cinque cilindri da due litri a benzina. Alla fine degli anni ’80, questi motori furono prodotti da Volvo e FIAT.
I motori a sei cilindri in linea, che fino a poco tempo fa erano così popolari in Europa, sono diventati in un batter d’occhio una specie in via di estinzione. E il motore a otto cilindri in linea è fuori discussione: i produttori lo hanno praticamente abbandonato negli anni ’30. Perché? Perché?
La risposta è semplice. Il motore si allunga con l’aumentare del numero di cilindri e questo crea molti inconvenienti nella disposizione. Ad esempio, in pochi casi è stato possibile infilare un motore a sei cilindri in linea nel vano motore di un’auto a trazione anteriore: mi vengono in mente solo l’inglese Austin Maxi 2200 della metà degli anni ’60 (allora i progettisti dovevano nascondere il cambio sotto il motore) e la Volvo S80 con un cambio supercompatto.
Come si può accorciare un motore dritto? Possiamo “segarlo” a metà, mettere le due metà una accanto all’altra e farle lavorare per un solo albero motore. I motori in cui i cilindri sono disposti a forma di V sono due volte più corti di quelli dritti: i più comuni sono quelli con un angolo incluso di 60° e 90°. Un motore a V con un angolo incluso di 180°, in cui i cilindri sono disposti uno di fronte all’altro, è chiamato motore piatto (o boxer – le denominazioni B2, B4, B6, ecc. derivano da questa parola).
Questi motori sono più complessi di quelli diritti: ad esempio, hanno due teste di cilindro (ciascuna con la propria guarnizione e i propri collettori), più alberi a camme e una configurazione di trasmissione più complessa. Inoltre, i motori piatti occupano molto spazio in larghezza. Per questo motivo, sono utilizzati piuttosto raramente per motivi di layout: i produttori di motori boxer si contano sulle dita delle mani.
E come si può rendere un motore a V ancora più compatto? Una delle soluzioni più semplici, a prima vista, è quella di impostare l’angolo incluso del blocco a meno di 60°. In effetti, motori di questo tipo sono stati trovati, ma raramente: si può ricordare, ad esempio, la Lancia Fulvia degli anni ’70 con motore V4, il cui angolo incluso nel blocco era di 23°. Perché non tutti i costruttori lo hanno utilizzato? Il fatto è che un progettista di motori deve sempre affrontare un altro problema: le vibrazioni.
Forza e coppia
In generale, un motore a combustione interna a pistoni non può funzionare senza vibrazioni: è il suo design. Ma è necessario combatterle, e non solo per migliorare il comfort dei passeggeri. Forti vibrazioni sbilanciate possono causare la distruzione di parti del motore, con tutte le conseguenze che ne derivano…
Perché si verificano le vibrazioni? In primo luogo, le vibrazioni nei cilindri si verificano in modo non uniforme in alcune configurazioni del motore. I progettisti evitano tali schemi, se possibile, o cercano di rendere il volano più massiccio: questo aiuta a smussare le ondulazioni della coppia. In secondo luogo, quando i pistoni si muovono verso l’alto e verso il basso, accelerano e poi rallentano, il che provoca l’insorgere di forze inerziali, simili a quelle che fanno inarcare i passeggeri di un’auto in fase di frenata o li spingono nello schienale del sedile in fase di accelerazione. In terzo luogo, la biella del motore non si muove su e giù, ma compie un movimento complesso. Anche il movimento alternativo del pistone dal punto morto superiore a quello inferiore non può essere descritto come una semplice sinusoide.
Pertanto, tra le forze d’inerzia compaiono componenti con velocità di rotazione dell’albero a gomiti raddoppiata, triplicata o quadruplicata… Queste cosiddette forze d’inerzia di ordine superiore vengono solitamente trascurate: sono molto ridotte rispetto alla forza d’inerzia principale (a cui è stato assegnato il primo ordine). Fanno eccezione le forze inerziali di secondo ordine, che devono essere prese in considerazione. Inoltre, coppie di forze applicate a una certa distanza formano coppie – questo accade quando le forze inerziali nei cilindri vicini hanno direzioni diverse.
Cosa si può fare per bilanciare forze e coppie? Innanzitutto, si può scegliere una configurazione del motore in cui i cilindri e le manovelle sono disposti in modo tale che le forze e le coppie si bilancino reciprocamente: saranno sempre uguali e avranno direzioni opposte.
Ma cosa succede se nessuno degli schemi bilanciati è adatto, ad esempio per motivi di layout? Allora il progettista può provare a posizionare i perni dell’albero a gomiti in modo diverso e ad applicare ogni sorta di contrappeso che crei forze e coppie di uguale entità, ma di direzione opposta alle forze principali da bilanciare. A volte questo può essere fatto posizionando contrappesi sull’albero a gomiti del motore. A volte, invece, su alberi aggiuntivi, chiamati alberi di contro-rotazione del bilanciamento. Si chiamano così perché ruotano in una direzione diversa rispetto all’albero motore. Ma questo complica il motore e ne aumenta il costo.
Tra i motori più comuni, esistono solo due tipi di motore assolutamente bilanciati: un sei cilindri in linea e un sei cilindri piatti. Ora capite perché BMW e Porsche tengono così tanto a questi motori. E abbiamo già menzionato i motivi per cui altri li rifiutano. Ora diamo un’occhiata più da vicino alle altre configurazioni.
Motori bilanciati e non bilanciati
Tra i motori a due cilindri, solo uno è oggi utilizzato sulle automobili: un motore a due cilindri in linea con un albero a gomiti in cui le manovelle hanno una sola direzione (uno di questi, ad esempio, era installato sulla russa Oka). Come si può notare, questo motore è simile a un motore monocilindrico in termini di bilanciamento, poiché entrambi i pistoni si muovono su e giù contemporaneamente, in fase. Per bilanciare le forze inerziali libere del primo ordine, nel motore Oka sono stati utilizzati due alberi con contrappesi a sinistra e a destra dell’albero motore. Ma che dire delle forze del secondo ordine? Per farvi fronte, i costruttori avrebbero dovuto aggiungere altri due alberi di bilanciamento, il che sarebbe stato del tutto inappropriato su un motore a due cilindri, originariamente progettato per auto piccole ed economiche.
Tuttavia, questo non è nulla: molti motori a due cilindri sono stati prodotti senza alberi di bilanciamento. Ad esempio, questi erano installati sulla piccola Fiat 500 del 1957. Certo, c’erano delle vibrazioni, che il costruttore cercava di smorzare con le sospensioni del propulsore… Ma il motore si rivelò semplice ed economico! L’economicità dei motori a due cilindri tenta oggi gli sviluppatori: non per niente questo schema è stato utilizzato dai creatori dell’auto più economica del pianeta, l’utilitaria indiana Tata Nano.
Oggi un motore a due cilindri, le cui manovelle hanno direzioni diverse (con un angolo di 180°), si trova solo sulle moto. È più equilibrato, poiché i pistoni si muovono sempre in controfase. Tuttavia, un’alternanza uniforme di lampi nei cilindri può essere ottenuta solo nei motori a due tempi – tali motori erano installati sulle DKW dell’anteguerra e sulle loro eredi dirette, le Trabant della DDR in plastica. A causa della semplicità e dell’economicità, non c’erano nemmeno gli alberi di bilanciamento e i conducenti sopportavano semplicemente le vibrazioni emergenti.
Si ricorda l’unica auto con un motore a due cilindri a V: la russa NAMI-1. E fino a oggi questo tipo di motore è sopravvissuto solo sulle motociclette: ricordiamo l’americana Harley Davidson e i suoi seguaci giapponesi con i loro motori a due cilindri a V in tutta la loro gloria cromata. Un motore di questo tipo può essere bilanciato quasi completamente con l’aiuto di contrappesi sull’albero motore, ma è impossibile ottenere un’alternanza uniforme di lampi. È un bene che i motociclisti non prestino molta attenzione alle vibrazioni…
Un motore a tre cilindri è bilanciato peggio di uno a quattro cilindri in linea e per questo i produttori di motori a tre cilindri, ad esempio Subaru e Daihatsu, cercano di dotarli di alberi di bilanciamento. All’epoca, i progettisti di motori Opel decisero di abbandonare l’albero di bilanciamento, sviluppando un motore a tre cilindri della famiglia Ecotec per la seconda generazione di Corsa, al fine di ridurre i costi e le perdite meccaniche. E il tre cilindri della Corsa fu criticato dai giornalisti automobilistici tedeschi dopo il suo debutto nel 1996: “È assolutamente impossibile guidare in città a modalità variabile”.
La forza inerziale del secondo ordine rimane libera nel motore più popolare tra i progettisti, il quattro cilindri in linea. Può essere bilanciata solo da un albero di bilanciamento che ruota al doppio della velocità. (Avete dimenticato che la forza inerziale del secondo ordine agisce con una frequenza doppia?). E per compensare la coppia dell’albero di bilanciamento, dovrete metterne un altro che ruoti nella direzione opposta. Costoso? Certamente. Tuttavia, i motori con albero di equilibratura si trovano su Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat e su diversi marchi Volkswagen.
Tra l’altro, un motore a quattro cilindri piatti è bilanciato meglio di uno dritto: c’è solo una coppia di forze inerziali del secondo ordine, che tende a far ruotare il motore intorno all’asse verticale. Tuttavia, sia il motore piatto raffreddato ad aria del leggendario Maggiolino che i famosi motori boxer della Subaru facevano e fanno a meno degli alberi di bilanciamento.
I motori a cinque cilindri in linea non se la cavano molto bene con l’equilibrio. Le forze d’inerzia sono compensate, ma la coppia derivante da queste forze… Durante il funzionamento del motore, un’onda di coppia flettente “attraversa” costantemente il blocco, che deve quindi essere molto rigido. Tuttavia, sia Mercedes-Benz che Audi e Volvo combattono le vibrazioni modificando le sospensioni del propulsore o utilizzando speciali contrappesi (come il 2.5 TFSI sovralimentato dell’Audi TT RS). Solo i progettisti di motori Fiat hanno utilizzato un albero di bilanciamento che equilibra completamente tutte le coppie.
Tra l’altro, quasi tutti i motori a cinque cilindri sono formati aggiungendo un altro cilindro a un motore a quattro cilindri, come i mattoncini di un gioco di costruzioni. Questo per ottenere motori più potenti con costi di produzione e progettazione minimi. Allo stesso tempo, tutto il materiale, compresi pistoni, bielle, valvole e così via, può essere preso dal motore a quattro cilindri. Sono necessari un blocco e una testata diversi e, naturalmente, un albero a gomiti, le cui manovelle devono essere disposte con un angolo di 72°.
Abbiamo già parlato dei motori a sei cilindri, un sogno in termini di equilibrio. Ma nei motori V6, che sostituiscono i sei cilindri in linea, la situazione del bilanciamento è la stessa di quella dei tre cilindri, cioè non è così buona. Per questo motivo, ad esempio, il primissimo motore V6 Mercedes-Benz era dotato di un albero di bilanciamento a V: il benemerito M112 con tre valvole per cilindro. Il motore a sei cilindri da tre litri della PSA aveva un albero in una delle teste del blocco. Gli ingegneri cercarono di non complicare il progetto di altri motori dell’epoca e di ridurre al minimo il livello di vibrazioni grazie al miglioramento delle sospensioni del propulsore e all’ingegnosa disposizione sfalsata dei perni di manovella (come, ad esempio, sul V6 Audi).
Aggiungiamo un’altra osservazione: nei motori V6 con angolo incluso di 90°, non è prevista un’alternanza uniforme di lampi nei cilindri. La conseguente non uniformità della corsa può essere compensata da un volano appesantito, ma solo parzialmente. Ecco un’altra fonte di vibrazioni…
I motori V8 con un angolo incluso di 90° e un albero a gomiti le cui manovelle si trovano su due piani reciprocamente perpendicolari sono molto ben bilanciati. In un motore di questo tipo è possibile garantire un’alternanza uniforme dei lampi, che si traduce anche in un funzionamento regolare. Rimangono due coppie sbilanciate, che possono essere completamente calmate con l’aiuto di due contrappesi sull’albero a gomiti – sulle nervature dei cilindri terminali. Capite perché gli americani hanno sentito prima di altri il fascino dei motori a V? Non amano le vibrazioni e i tremolii nelle loro auto…
Infine, possiamo parlare di schemi insoliti. Innanzitutto, ricordiamo i motori V4. Ne esistevano pochi: il modello europeo Ford degli anni ’60 (installato sulla Ford Taunus, sulla Capri e sulla Saab 96) e un “motore miracoloso” di Zaporozhets. In questo caso era coinvolto un albero di bilanciamento per la coppia delle forze inerziali del primo ordine. Tuttavia, i progettisti delle vetture sopra citate scelsero questo schema per motivi di compattezza e, in parte, di risparmio sui costi, e non per un buon bilanciamento.
E che dire dei motori V-ten? Il grado di bilanciamento di questi motori è esattamente uguale a quello dei motori R5. Tuttavia, i progettisti degli ex motori di Formula 1 o dei mostri Dodge Viper e Dodge RAM, dove sono installati i motori V10, non hanno pensato principalmente alle vibrazioni.
Ebbene, altri schemi possono essere facilmente ricondotti a quelli precedenti. Per esempio, l’otto piatto (un esempio di applicazione sono le auto da corsa Porsche 917) è costituito da due motori a quattro cilindri che lavorano per un solo albero motore. I motori a V e a dodici cilindri piatti possono essere ridotti a due motori a sei cilindri in linea.
VR6, VR5, W12
Abbiamo parlato di motori a V con un piccolo angolo incluso del blocco, come sulle Lancia. In passato, tali schemi venivano evitati: è più difficile bilanciarli rispetto ai motori con un angolo incluso di 60° o 90°, e il guadagno in termini di compattezza non era così apprezzato…
Ma ora la situazione è cambiata. In primo luogo, sono molto diffusi gli idromobili dell’unità di potenza che smorzano notevolmente le vibrazioni. In secondo luogo, lo spazio sotto il cofano ora vale oro. Dopo tutto, chi avrebbe potuto immaginare prima una modesta utilitaria con un motore da 2,8 litri? E ora, eccola qui! Tutto è iniziato con la Volkswagen Golf VR6 di terza generazione.
Il famoso motore Volkswagen VR6, un “V-shaped-straight” (questo è ciò che dice la denominazione VR), è diventato un ulteriore sviluppo dei motori a V con un piccolo angolo incluso del blocco. I cilindri di questo motore sono separati da un angolo ancora più piccolo di quello delle Lancia: solo 15°. L’angolo è così piccolo che un motore di questo tipo viene anche chiamato “offset-straight”. Una soluzione ingegnosa: il 2.8 sei è più compatto di un motore V6 convenzionale e ha persino una testa di blocco!
Poi è apparso il motore VR5, ovvero il VR6 a cui è stato “tagliato” un cilindro. In seguito, i progettisti di motori della Volkswagen sembrarono scatenarsi.
Hanno ideato il motore supercompatto W12, che ha debuttato nel 1998 sulla concept car W12 Roadster. Si tratta di due motori VR6 installati con un angolo di 72° su un unico albero motore. Ma prima di allora è entrato in produzione il motore W8, installato sul modello di punta della Passat berlina. Esistono anche due motori VR6, dai quali vengono “tagliati” due cilindri, anch’essi riuniti in un blocco su un unico albero motore. A Wolfsburg si pensò anche a un motore a diciotto cilindri, ma alla fine ci si fermò al W16 con quattro turbocompressori, che accelera la Bugatti Veyron a 431 km/h.
Perché prima non esistevano motori di questo tipo? Guardate, ad esempio, l’albero motore del motore W12: un tecnologo non immaginerebbe una cosa del genere nemmeno nei suoi peggiori incubi! Un computer dovrebbe aiutare i creatori di nuovi schemi. È molto difficile fare a meno dell’aiuto della potenza di calcolo per calcolare tutte le opzioni per l’angolo incluso del blocco, la posizione dei perni di manovella, l’ordine delle lampadine nei cilindri e scegliere quella più equilibrata.
Teoria e pratica
Come si può notare, i progettisti non mettono affatto in primo piano il grado di equilibrio quando scelgono uno schema di motorizzazione. La cosa principale è riuscire a inserire nel vano motore un motore che abbia il miglior rapporto tra peso, dimensioni e potenza. Inoltre, i motori vengono sempre più spesso costruiti secondo il principio della modularità. In poche parole, qualsiasi motore può essere costruito su un gruppo di pistoni, sia un tre cilindri che un W12. Dopo Volkswagen, sempre più costruttori stanno passando alla progettazione modulare. L’ultima linea di motori Mercedes ne è un ottimo esempio.
E le vibrazioni… Innanzitutto, è necessario distinguere tra il bilanciamento teorico e quello effettivo del motore. Se l’albero motore assemblato con il volano non è bilanciato e i pistoni e le bielle hanno un peso sensibilmente diverso, anche il sei cilindri in linea vibra. Alla fine, il bilanciamento effettivo è sempre molto peggiore di quello teorico, a causa della deviazione delle parti dalle dimensioni nominali e della deformazione delle unità sotto carico. Le vibrazioni, quindi, si propagano dal motore all’esterno con qualsiasi schema. Per questo motivo, gli ingegneri automobilistici prestano molta attenzione alle sospensioni del propulsore. In effetti, il design e la posizione dei supporti del motore sono fattori non meno importanti del grado di equilibrio del motore stesso…
Questa è una traduzione. Potete leggere l’originale qui: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html
