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BREVE STORIA DELL'EVOLUZIONE TECNICA DELLA FORMULA 1


Il concetto di deportanza rivoluzionò la concezione delle corse. Fino a quel momento le vetture da corsa dovevano essere fondamentalmente veloci, il più veloci possibile, per raggiungere la massima velocità nei rettilinei, che erano la parte predominante di ogni circuito. Velocità dell’ordine di 340 km/h erano state raggiunte sui circuiti più veloci già negli anni ’30, e si dovrà aspettare il 1982 perché vengano raggiunte di nuovo. Le monoposto però, fino all’avvento dell’aerodinamica, dovevano rallentare in maniera radicale per affrontare le curve. In questo modo la differenza fra velocità massima e velocità di percorrenza delle curve era enorme. Si pensi che le Auto Union del 1936 disponevano di 520 HP e di velocità di punta dell’ordine dei 345 km/h. Su di un circuito velocissimo come Monza, un giro era percorso alla media di circa 180 km/h. Trent’anni dopo le monoposto, con circa 330-350 cavalli, e velocità massime non superiori ai 280 km/h, giravano su quel circuito ad una media di circa 200 km/h. Con l’avvento dei dispositivi aerodinamici, nel 1969 le monoposto migliori, con circa 420 HP ed una velocità  massima non superiore ai 270 km/h, girarono a Monza a 236 km/h di media. Questi dati devono essere valutati in termini di efficienza globale. Un motore potentissimo poteva essere usato per andare forte in rettilineo, ma la velocità in curva restava subordinata all’aderenza al suolo. Questa, a sua volta, era legata alla sezione dei pneumatici, al loro coefficiente di attrito, alla capacità delle sospensioni di tenere il pneumatico aderente al suolo. Questi fattori erano, fino all’avvento delle appendici aerodinamiche, evidentemente bassi, perché la velocità di percorrenza della curva rimaneva molto distante dalla velocità massima che la vettura poteva sviluppare in rettilineo. Il ricorso ai dispositivi aerodinamici ha quindi permesso di ridurre in modo drastico la differenza fra velocità massima e velocità di percorrenza delle curve. Si era quindi verificato un paradosso: il tempo guadagnato in rettilineo da una vettura velocissima, ma lenta nelle curve, era inferiore al tempo guadagnato da una vettura lenta in rettilineo ma veloce nelle curve.

A questa nuova concezione delle corse automobilistiche verrà subordinata tutta l’evoluzione dello sport motoristico, fino ai nostri giorni.



Ferrari V12 Engine
Ferrari V12 Engine

Tecnica :
I segreti del motore a scoppio


Come è fatto e come funziona

Un motore a scoppio (ma più correttamente andrebbe chiamato "motore a combustione interna" o "motore alternativo endotermico") è essenzialmente composto da 3 organi meccanici in movimento :

Il pistone
E' un oggetto di forma generalmente cilindrica, che scorre dentro un'altro (il Cilindro), ed il suo movimento è quello di andare su e giù.

L'albero a gomiti
Ha la duplice funzione di trasformare il moto alternativo (in su e giù) del pistone in quello rotatorio e di portare il moto verso il cambio e poi alle ruote .

La biella
E' un'organo di collegamento che permette di unire il pistone con l'albero a gomiti e di trasmettere le forze.

In pratica questi tre organi meccanici hanno lo scopo di trasformare un moto rettilineo alternato (quello del pistone) in un moto rotatorio (quello dell'albero) per sfruttare l'energia dovuta allo scoppio della benzina e per fare un'altra serie di funzioni che vedremo in seguito.

Esistono poi altri importanti componenti :

Cilindro : La parte in cui scorre il pistone. Praticamente un grosso Foro.

Testa : E' la parte superiore che chiude il cilindro.

Camera di scoppio o di combustione : E' la parte superiore del cilindro cioè lo spazio che rimane tra la testa ed il pistone quando questo è nella posizione più elevata. E' la zona in cui avviene la combustione della benzina e dell'aria.

Carter o Basamento : E' generalmente la struttura che circonda e sostiene tutti gli altri organi meccanici e che comprende i cilindri.

Cielo del pistone : E' la parte superiore del pistone, quella a arriva a sfiorare la testa e sulla cui superficie avviene la combustione.

Fasce : Sono delle guarnizioni che garantiscono la tenuta dei gas, e limitano l'usura tra pistone e cilindro.

Bilanciere : E' una massa che fa parte dell'albero che ha lo scopo di equilibrare il motore,  cioè di ridurre le vibrazioni.

E' necessario dare qualche nome alle dimensioni caratteristiche di un motore.

(D) Alesaggio: Il diametro del pistone

(C) Corsa : Lo spostamento verticale che compie il pistone nel suo movimento. E' anche il doppio della distanza tra dove è collegata la biella all'albero e l'asse di rotazione dell'albero stesso.

(S) Sezione del cilindro : é l'area della sezione del cilindro, cioè l'area del cerchio che ha per diametro l'alesaggio. Infatti si ha che S = p D2

(V) Cilindrata : Il volume spazzato dal pistone nel suo movimento. E' semplicemente la sezione del cilindro per la corsa [ ].

(Pms) Punto morto superiore : E' la poszione più alto che raggiunge il pistone nel suo moto (la biella è perfettamente verticale e il pistone è fermo e sfiora la testa)

(Pmi) Punto morto inferiore : E' il punto più basso che raggiunge il pistone nel suo moto (la biella è perfettamente verticale e il pistone è fermo)

(r) Rappoto di compressione : E' il rapporto tra il volume della camara di scoppio e quello della cilindrata , diviso per la cilindrata. r = ( Vc + V ) / V

(RPM) Numero di giri al minuto : E' la velocità di rotazione dell'albero motore.

(Z) Numero di cilindri : Va da 1 (monocilindrico) a più di 12 (pluricilindrici)

Un paio di definizioni :

Quadri [ C=D ] : Si chiamano così quei motori che hanno la corsa e l'alesaggio uguali.

Super quadri [ D>C ] : Quei motori in cui l'alesaggio è più lungo della corsa .

A corsa lunga [ C>D ] : Quei motori con la corsa maggiore dell'alesaggio  .

Rapporto corsa alesaggio [ C/D ] : Se è minore di 1 significa che il motore è super quadro, se uguale a 1 che è quadro e se maggiore di 1 che è a corsa lunga.


I motori di cui parleremo sono i 4Tempi, che oltre agli organi meccanici precedentemente descritti, hanno un'ulteriore serie di organi meccanici che svolgono compiti ausiliari, ma indispensabili al funzionamento del motore stesso.

In estrema sintesi, il motore a scoppio funziona perché la benzina, si mischia con l'aria ambiente che fornisce l'ossigeno necessario alla combustione, entra nel cilindro, scoppia, cioè brucia violentemente e fornisce la pressione necessaria a spingere il pistone, il quale porta in rotazione l'albero a gomiti, e da questo, per mezzo di vari organi meccanici, come cambio e trasmissione, la potenza arriva alle gomme e il veicolo avanza. Ovviamente queste fasi avvengono grazie a precisi organi meccanici che svolgono precisi compiti. Nella camera di scoppio, avvengono, le seguenti operazioni : aspirazione, compressione scoppio e scarico.

Condotto d'Aspirazione


E' il condotto da cui entra la carica fresca, cioè la miscela di aria e benzina ancora non bruciata. Infatti a monte della camera di scoppio esiste un dispositivo che succhia la benzina dal serbatoio e l'aria dall'ambiente esterno e li miscela in parti ben definite. Questo dispositivo può essere un carburatore o un sistema di iniezione.


Valvola d'Aspirazione :
La miscela d'aria e benzina deve entrare nella camera di combustione solo nel momento giusto e per un periodo di tempo prestabilito. Per questo esiste una valvola, che apre e chiude, il condotto d'aspirazione regolando, quindi, come un rubinetto il flusso della miscela. Nei motori a 4Tempi, vengono usate usualmente valvole a fungo, chiamate così per via della sua caratteristica forma. Le valvole sono comandate dall'albero a camme.


Albero a camme di aspirazione :

E' un' albero parallelo a quello a gomiti, normalmente posto sopra la camera di scoppio (come in schema), che prende la rotazione dall'albero motore stesso, e gira solidale con esso. Su questo albero sono ricavate le camme, cioè dei profili eccentrici che girando spingono il piattello della valvola su e giù , secondo una precisa regola che dipende dalla forma stessa della camma . Poiché le camme sono legate all'albero motore è ovvio che se il motore sale di giri anche l'albero a camme sale di giri e così anche la valvola d'aspirazione apre e chiude il condotto più velocemente. In questo modo tutto funziona a qualsiasi regime di rotazione , perché ogni operazione accelera o decelera con il motore stesso.

Condotto di scarico :
E' equivalente a quello di aspirazione , ma a differenza di questo serve ad espellere i fumi di scarico , cioè quello che rimane dalla combustione della miscela bruciata, e conduce fino alla marmitta.


Valvola di scarico :
E' equivalente a quella di aspirazione, solo che regola l'apertura e la chiusura del condotto di scarico.

Albero a camme di scarico :
E' equivalente a quello di aspirazione, solo che imprime alla valvola di scarico, dei tempi di apertura diversi da quelli di aspirazione.

Candela :
I motori a scoppio , che vanno a benzina si chiamano anche ad accensione comandata  perchè l'esplosione del carburante è dovuto ad una scintilla, che si innesca perchè della corrente passa nello spazio tra due elettrodi. L'organo che regola lo scoppio e che genera la scintilla è la candela, che normalmente è unica e posta verticale al centro della camera di scoppio. La quantità di corrente e il momento della scintilla è regolato da organi meccanici o elettronici che prendono il movimento dallo stesso motore , garantendo anche in questo caso, il sincronismo tra la velocità di rotazione del motore e l'accensione.


La testa e la camera di combustione :

La testa è uno delle parti più importante per un propulsore, sulla quale più si lavora in fase di progetto. Infatti, la maggior parte delle azioni che avvengono in un motore e dalle quali dipendono le prestazioni, si sviluppano proprio nella camera di combustione. Quindi la sua geometria può migliorare sensibilmente le prestazioni e dare caratteristiche specifiche al propulsore.  Infatti sulla testa, da una parte ci sono tutti gli organi atti alla distribuzione, cioè tutti quegli organi che servono a far entrare ed uscire il carburante, i gas freschi e quelli combusti, mentre dall'altra la zona che rimane libera quando il pistone è al pms, cioè la camera di combustione, la quale condiziona in modo molto significativo la combustione e quindi la capacità di generare la potenza che serve a spingere il veicolo. In particolare il disegno della camera di combustione deve porsi come obbiettivo quello di ottenere un veloce processo di combustione, un elevato riempimento di carburante e minimizzare le perdite di calore attraverso le pareti.
Ovviamente nella storia dei motori a scoppio, i progettisti si sono sbizzarriti, producendo teste delle forme e delle geometrie estremamente varie, anche se oggi per vari motivi, i tipi di testa più diffusi, per i motori a benzina, sono sostanzialmente quattro. E' riportato di seguito lo schema delle quattro teste più diffuse e di un'altra serie di teste delle forme molto curiose.

 


a) EMISFERICA
: Offre buoni riempimenti ed elevate prestazioni;
b) A CUNEO o TRIANGOLARE : Limita l'effetto della detonazione e produce molta turbolenza, cosa che favorisce la velocità di combustione;
c) A TAZZA : Camera molto compatta, bassi consumi e basse emissioni inquinanti;
d) A TETTO : Con quattro valvole, permette di ottenere alte potenze specifiche e resistenza alla detonazione.



 

I pluricilindri:

I motori reali sono nella maggior parte dei casi composti da un numero di cilindri superiori a uno. Le piccole utilitarie di solito hanno 4 cilindri in linea, mentre le vetture più raffinate hanno 8, 10 o 12 cilindri. Non esiste un limite teorico al numero massimo di cilindri che si possono accoppiare per fare un motore, ma la storia testimonia che è difficile e inutile superare i 16.


Le configurazioni con cui accoppiare i vari cilindri sono le più varie.  La più semplice è quella dei motori "in linea" (a), in cui l'albero a gomiti è comune a tutti i cilindri, e i vari pistoni, bielle, teste sono disposti l'uno accanto all'altro. Già più complessi ma ugualmente diffusi sono i motori a "V" (c), in cui c'è sempre un solo albero ma i pistoni oltre ad essere accanto all'altro sono su due file distinte ed inclinate di un certo angolo (spesso 90 o 60). Esistono poi altri tipi di motori, molto meno diffusi, i cui schemi si vedono in figura. Tra questi ricordo in particolare il Boxter (f) e i motori stellari (m) impiegati specialmente agli albori dell'aviazione (ad esempio il barone rosso nella seconda guerra mondiale)

Funzionamento del motore
  Aspirazione , compressione , scoppio , espansione e scarico ... queste sono le parole della formula magica che fa funzionare un motore! Infatti un 4Tempi, come quello di cui mi accingo a spiegarvi, compie queste quattro fasi ogni due giri dell'albero a gomiti e ripete queste quattro fasi di continuo molte decine di volte al secondo. Cioè ogni volta che il motore compie queste quattro fasi torna nelle condizioni di partenza e può ricominciare. Tutto quello che succede tra l'inizio e il momento in cui il motore torna nelle stesso condizioni di partenza si chiama, nel complesso, CICLO. E' ovvio che le fasi principali del ciclo siano proprio aspirazione, compressione, scoppio, espansine e scarico.E' importante accennare al fatto che il motore a scoppio è una macchina che serve a realizzare proprio questo ciclo. Per i motori a benzina esiste un ciclo di riferimento teorico noto col nome di OTTO, mentre nei motori a gasolio il ciclo di riferimento è quello DIESEL. I cicli OTTO e DIESEL sono due tipi particolari di cicli termodinamici , che prendono il nome dagli studiosi che li idearono. Ovviamente un motore è tanto migliore quanto più riesce ad avvicinarsi alla teoria, cioè quanto più riesce ad avvicinarsi ad un ciclo OTTO o DIESEL.

Per cominciare si può pensare di partire nel momento in cui il pistone è nel punto morto superiore e le valvole sono chiuse. In pratica, siamo nell'istante in cui il pistone è salito fino al suo massimo e sta per scendere. Se le valvole rimanessero ferme, è ovvio che il pistone scenderebbe facendo solo espandere quel poco gas che rimane nella parte superiore del cilindro e continuando in questo modo, l'unico effetto sarebbe quello di frullare il gas senza generare nemmeno un Cv, anzi si fermerebbe subito. Con riferimento alle immagini, possiamo per semplicità immaginare che l'albero a gomiti e quelli a camme, girino in senso antiorario. La loro velocità è differente, in particolare ogni due giri dell'albero a gomiti le camme ne compiono uno solo.

ASPIRAZIONE

La prima cosa che deve succedere nel motore è quella di far entrare l'aria e la benzina, cioè la fonte dell'energia del motore. Quindi è necessario che si apra la valvola di aspirazione e che il pistone scendendo richiami dal condotto di aspirazione la miscela. Così accade e il pistone percorre tutto il tragitto dal Pms al Pmi, con la valvola del condotto di aspirazione completamente aperto, riempiendo completamente di miscela fresca.



COMPRESSIONE

Appena il pistone raggiunge il punto morto inferiore, il pistone si ferma di nuovo, e ricomincia a salire e comprime i gas. Per evitare che la miscela appena entrata riesca dal condotto di aspirazione, è necessario che la valvola di aspirazione si chiuda. Il pistone quindi comprime tutto il volume di gas che era presente nel cilidro,  schicciandolo in quella piccola parte di spazio rimasta libera tra il cielo del pistone e la testa del cilindro. In genere , il rapporto di compressione, cioè il rapporto tra il volume iniziale e quello finale della compressione, è intorno a 1:10 , con valori che arrivano vicini a 1:20 per i motori più prestazionali.
SCOPPIO

Una volta raggiunto il punto morto superiore, la benzina e l'aria sono al massimo della compressione e sono tutte contenute in un piccolo spazio intorno alla candela. E' facile immaginare che se si fa passare corrente sulla candela, si genera una scintilla che fa prendere fuoco al gas. Precisamente si dovrebbe dire che esplode, cioè il volume dei gas incrementano di migliaia di volte generando una pressione incredibile che va a spingere il pistone verso il basso, ed è questa pressione che tramite la biella e l'albero a gomiti si trasforma nella potenza utile che fa avanzare il veicolo.


ESPANSIONE

Immediatamente dopo lo scoppio, la pressione dei gas spingono il pistone verso il basso fino a che il pistone è nel Pmi in cui tutta l'energia dei gas si è convertita in potenza utile.  E' importante far notare come di tutto il motore l'unica fase utile sia questa. Tutto il resto è al traino cioè tutte le altri fasi usano parte di questa energia per funzionare e non la rendono disponibile per spostare il veicolo.

SCARICO

A questo punto il pistone ha raggiunto il Pmi, l'energia rilasciata dall'esplosione ha quasi esaurito la sua energia e il pistone è pronto a risalire. Inizia così la fase di scarico. Lo scopo di questa fase è quella di espellere i gas combusti per poter riportare il motore nelle condizioni iniziali, cioè di chiudere il ciclo, per poi ricominciare da capo. Per far questo si apre la valvola di scarico, e il pistone nella sua risalita spinge fuori il gas combusto, che così si dirigono verso la marmitta. Quando il pistone arriva al Pms, tutti i gas sono stati espulsi, si chiude la valvola di scarico, si apre quella di aspirazione e siamo pronti a ricominciare a immettere nuova miscela fresca.



Ecco un'altro modo per visualizzare tutte insieme le fasi che compie il motore ogni due giri dell'albero motore.

Approfondimento :  L'avviamento

Da come vi ho messo le cose, sembra che sia l'albero, spinto da una forza immaginaria, a trascinare il motore nel suo movimento, invece è il motore che fornisce l'energia. In realtà, come noto, che il motore a scoppio ha bisogno di essere messo in moto dall'esterno e che solo quando è partito riesce ad auto sostentarsi. Le macchine di inizio secolo avevano la manovella che usciva dal cofano e dovevano essere azionate a mano, oggi tutte le vetture di serie hanno un motorino elettrico, quelle da corsa per risparmiare sul peso sono messe in moto dall'esterno con un altro motore o spinte (come le moto da Gp).
Quando poi i motori sono stati avviati è l'inerzia del motore stesso che fa andare avanti le cose ... in pratica nella fase di scoppio parte dell'energia sviluppata fa accelerare gli organi meccanici, che poi rallentano nelle altre fasi e permettono che tutto funzioni . In più per aumentare l'inerzia del motore e per rendere le fasi più regolari (meno vibrazioni) si aggiunge un volano cioè un pesante disco che ruota insieme all'albero a gomiti.

Approfondimento : Gli anticipi delle valvole

Vorrei introdurre un aspetto importante sul reale funzionamento dell'aspirazione e scarico, che è presente in ogni motore. Voglio parlare degli anticipi delle valvole.

E' facile immaginare come qualsiasi azione non avvenga perfettamente istantaneamente, cioè richieda un certo tempo magari breve ma non nullo. Anche aprire e chiudere le valvole richiede un tempo non nullo. Dalla spiegazione che vi ho scritto sopra, sembra che le valvole rimangano chiuse, poi improvvisamente nel momento in cui il pistone passa dal Pms o Pmi le valvole istantaneamente percorrono tutto il loro spostamento posizionandosi nella posizione di apertura e rimangano in tale condizione fino alla fine della fase nella quale tornano in posizione di chiusura.

Questo nella realtà non può avvenire e quello che si riesce a fare è di far muovere la valvola in un tempo che è paragonabile con il tempo di una fase, cioè significa che in un quarto del ciclo. Quindi se si fa cominciare l'alzata della valvola nel Pms e si impone la chiusura nel Pmi si ha che la valvola non è perfettamente aperta durante la fase ma all'inizio sarà socchiusa, sarà completamente spalancata solo intorno alla metà della fase e sarà socchiusa alla fine della fase. Questo complica molto il flusso dei gas nei condotti di aspirazione e scarico perchè come detto durante la fase la valvola sta più tempo nella posizione di quasi chiusa che in quella di aperta.

Per compensare questo problema è necessario anticipare il momento in cui le valvole si aprono e ritardare il momento in cui si chiudono, rispetto al momento ideale, in modo che al raggiungimento di questo, la valvola sia sufficientemente aperta o chiusa per far bene il suo compito. Questo però significa anche che ad esempio nella prima parte della compressione, la valvola di aspirazione sia ancora aperta, col rischio che parte della miscela sia respinta fuori invece di essere compressa, oppure che nell'ultima fase di espansione dopo lo scoppio parte della spinta vada persa perchè i gas combusti escono dalla valvola di scarico che si sta aprendo.

Curioso, e fondamentale è il momento dell'incrocio, quello in cui finisce la fase di scarico ed inizia la fase di aspirazione in cui entrambe le valvole sono parzialmente aperte, con ovvie conseguenze.

Questo che sembra un problema, in realtà non è così drammatico. Anzi nei motori moderni e ancor più in quelli più prestazionali gli anticipi e l'incrocio sono veramente notevoli, perché si riesce grazie agli effetti dinamici, non solo a far funzionare tutto come se fossimo nel caso ideale in cui le valvole si aprono e chiudono nei Punti morti, ma addirittura si migliora, riuscendo ad esempio ad incamerare più miscela di quella teorica. Questo fatto è ancora più spinto nei motori 2t ad alte prestazioni, dove pur funzionando tutto in modo diverso, l'incrocio dura quasi metà ciclo.
Ovviamente ci sono degli aspetti negativi come l'incremento di emissioni inquinanti e il peggioramento nel consumo di carburante, aspetti essenziali in un motore stradale, ed assolutamente inutili in un motore da corsa.

Di seguito vi riporto il grafico degli andamenti reali delle aree di passaggio delle valvole di aspirazione e scarico di un generico motore a 4T. Su questo grafico è riportata l'area geometrica o efficace (dipende da come si calcola) rispetto a quella totale, che dipendono dalla posizione della valvola a fungo. Quindi l'andamento dell'area è analoga a quella dell'alzata, ed infatti è analogo a quelli che vi ho disegnato sopra. Spero siano evidenti gli anticipi dell'apertura e il ritardo di chiusura, e come intorno al Pms si abbia un ampio incrocio di ben 120 gradi di manovella (180 è una fase intera).



Diagramma  di un motore reale

AAS = Anticipo Alsata Scarico

AAA = Anticipo Alsata Aspirazione
RCS = Ritardo Chiusura Scarico RCA = Ritardo Chiusura Aspirazione