Lo scopo di questa parte è di trovare ed analizzare le relazioni fondamentali, che governano il funzionamento del motore, e in particolare di parlare della formula della potenza, per capire quali sono le cose che la influenzano, nel bene o nel male e quali non centrano nulla. Per far questo cercherò di essere il più semplice possibile, purtroppo però è necessaria la conoscenza delle basi di fisica e matematica, oltre alla buona conoscenza del funzionamento del motore a scoppio, per cui vi consiglio di leggere le prima parte di queste lezioni o di laurearvi in ingegneria :)))

Bilancio Energetico

In questo breve capitolo, introdurrò la base fisica su cui si fonda tutta la trattazione successiva. E' un argomento un pò concettuale e filosofico, ma non difficile, per cui vi consiglio di leggerla anche se non è strettamente indispensabile per capire il resto.

Tutto lo studio del motore a scoppio si basa sulla solida base del Principio di conservazione dell'energia (l'energia non si genera e non si distrugge ma si trasforma), che garantisce a tutta la trattazione delle relazioni praticamente esatte e completamente generali.
Nel cilindro dove avvengono tutte le trasformazioni l'energia entra sotto forma di Calore (Q_t), corrispondente alla massa totale di combustibile entrante. Dall'albero motore esce il Lavoro Utile (L_u), sotto forma di coppia ed è questo che va a spingere il veicolo. Mentre, per altre vie, esce il rimanente dell'energia entrata, detta Energia Dissipata (E_d), che è costituita per lo più dai gas caldi espulsi dallo scarico, il calore disperso dalle pareti , e attriti vari.

Quindi, come è evidente anche dallo schema di figura, si può scrivere : Q_t = L_u + E_d . Da cui si ricava che il lavoro utile (quello che andrà a spingere il veicolo) è semplicemente il calore in ingresso meno l'energia dissipata : L_u = Q_t - E_d

E' possibile definire il Rendimento termico utile, come il lavoro utile fornito dall'albero fratto l'energia termica totale: h = L_u / Q_{t .} Come tutti i rendimenti è un valore minore di uno o esprimendolo in percentuale, minore del 100%, e nel caso dei motori a scoppio questo valore è molto molto basso, intorno al 20%, il che fa capire come mai la crisi energetica, ed i problemi di inquinamento, spingono ad una sostituzione di questo tipo di propulsore, con sistemi più puliti e più efficaci. Infatti perdere l'80% dell'energia disponibile non è un gran risultato, anche se le emozioni che è in grado di suscitare compensano ampiamente questo difettuccio, agli occhi degli appassionati.

L'espressione sintetica della potenza

Il motore, come visto nel capitolo precedente, eroga un certo Lavoro Utile (sottoforma di coppia) che rappresenta la parte sfruttabile (per far avanzare il veicolo) dell'energia liberata dalla combustione della miscela d'aria e benzina.
La potenza disponibile (detta effettiva) è il lavoro utile erogato, per il numero di giri. Nel 4T la miscela scoppia solo una volta ogni due giri per cui i giri utili sono solo la metà di quelli effettuati dall'albero a gomiti.
In formula si può scrivere : P_e =  1/2 ∙ L_u ∙ n_{s  .}

A questo punto si può sviluppare i termini della formula appena citata, introducendo le grandezze tipiche del motore a scoppio. Dopo alcuni passaggi matematici, che non riporto adesso, ma che avremo modo di spiegare con calma nelle prossime pagine e che comunque non introducono errori o approssimazioni, si ottiene un'espressione, la seguente, che lega i tre parametri fondamentali del motore, e che saranno trattati per esteso nelle prossime pagine.

Abbiamo scelto di partire da questa formula sintetica, composta da termini astratti, per mettere l'accento sui questi pochi ma veramente fondamentali parametri. Saremmo potuti partire, come vorrebbe la logica,  dall'analisi del contributo di ogni parametro del motore, sia quelli geometrici e meccanici, che quelli fluidodinamici, chimici e fisici per poi raggruppare tutto in queste grandezze fondamentali, scoprendo che sono queste che permettono di paragonare due motori o che è su questi che bisogna lavorare per ottenere più potenza od ancora che sono questi che pongono un limite ultimo alle prestazioni massime. Abbiamo fatto invece l'opposto in modo da snellire tutta la trattazione e per chiarire fin dall' inizio, cosa è importante e cosa non lo è!

P_e : Potenza effettiva

Come già accennato si tratta delle potenza erogata dal motore, in parole povere i Cavalli (CV). Non è necessario precisare quando e come essa sia erogata, in quanto questa formula è del tutto generale e quindi vale sia che il motore lavora sotto massimo carico che con la farfalla del gas parzialmente aperta, sia che il motore giri piano o a fondo corsa.
C'è solo da stabilire dove si intende erogata la potenza. Cioè si può scegliere come la potenza caratteristica di un motore quella fornita all'albero motore, oppure all'uscita del cambio oppure proprio alla ruota o in qualsiasi altro punto della trasmissione. Infatti ogni organo meccanico che trasporta la potenza dal motore verso le ruote fa perdere una parte della potenza stessa (anche oltre il 50% in certi casi). In queste pagine se non indicato diversamente intenderò per potenza erogata quella disponibile all'albero a gomiti.

T : Numero dei tempi

Noi trattiamo in queste pagine il motore 4 tempi (4T), ma esiste, ed è molto diffuso, anche il 2 tempi (2T), che compie le fasi in un solo giro invece che due. Poiché la formula è del tutto generale essa vale per entrambi i tipi di motore. Se il motore è un 4T la prima parte dell'equazione vale 1/2 altrimenti vale 1. Questo valore non è trascurabile in quanto a parità di altre condizioni il 2T ha il doppio della potenza del 4T. Nella realtà "le parità di condizioni" non si riescono ad ottenere, per cui di solito il 2T ha un pò meno del doppio dei cavalli di un 4T di pari cilindrata, che comunque è una quantità impressionante. Questo è il motivo, ad esempio, perchè nel "moto mondiale" per reintrodurre il 4T si è dovuto permettere cilindrate doppia rispetto ai 2T. Siamo infatti passati da 500cc a 1000cc, e come si è visto le prestazioni sono abbastanza simili.

pme : pressione media effettiva

E' veramente difficile spiegare in due parole cosa sia la pme, cmq sinteticamente è la coppia specifica cioè per unità di cilindrata. Ogni parametro che influenza la pme influenza anche la coppia. Quindi si può dire che è un termine indicativo dei livelli di pressione raggiunti nel cilindro e dell' efficienza di alimentazione e combustione. In sintesi la pme tiene conto della capacità del motore di sfruttare l'energia fornita dal combustibile.

S_t : Superficie totale dei pistoni

E' un parametro molto semplice nella sua definizione, ma veramente importante. Per un solo pistone, la superficie è l'area del cerchio che ha per diametro l'alesaggio cioè S = 0.25∙p∙D² . Se il motore è monocilindrico quest' area coincide con la St, invece per un pluricilindro la St è semplicemente Z ∙ S, dove Z è il numero dei cilindri.
Questo è l' UNICO parametro geometrico del motore che influenza direttamente le prestazioni di un motore. Quindi fare un pistone ed un cilindro più largo, dà automaticamente più potenza e la dà in modo lineare, cioè raddoppiare l'area dei pistoni, vuol dire raddoppiare la potenza, dimezzare l'area vuol dire dimezzare la potenza. Raddoppiare l'alesaggio, invece, vuol dire quadruplicare la potenza (vedi formula). Ovviamente mantenendo costanti gli altri termini, come la cilindrata. A tal proposito aggiungo che è la ricerca di prestazioni nei motori da competizione, come in f1, dove la cilindrata è fissata per regolamento, va nella direzione di aumentare sempre più l'alesaggio e ridurre la corsa, per il motivo detto e per altri che vedremo in seguito. Purtroppo aumentare l'alesaggio e diminuire la corsa produce altri effetti negativi, come il peggioramento della combustione, per cui è molto difficile anche nei motori da corsa avere alesaggi più che doppi della corsa.

U_p : Velocità media del pistone

Rappresenta la velocità media con cui il pistone corre nel cilindro, ed è legato alle forze d'inerzia e di attrito che sollecitano tutta la meccanica del motore. Il suo valore dipende dal numero di giri e dalla corsa e rappresenta uno dei reali vincoli che limita lo sviluppo delle prestazioni, in quanto aumentarlo implica diminuire la vita e l'affidabiltà.

Prime Considerazioni

Anche se siamo ad una prima introduzione è interessante far osservare un paio di cose, che potrebbero sembrare andare contro il senso comune, ma assolutamente vere. La potenza non dipende nè dalla Cilindrata nè dal numero di giri!!

Palando dalla cilindrata:
E' comune pensare che un motore di maggior cilindrata debba avere più CV di un motore più piccolo e questo in generale è vero, ma come vedremo, dire che esiste una relazione tra cilindrata e potenza, è falso. Come si vede nella formula la potenza dipende dalla superficie totale dei pistoni. Aumentare la cilindrata vuol dire aumentare il numero di cilindri e/o aumentare le dimensioni dei pistoni, e conseguentemente aumentare la S_t. Però è possibile fare, giocando sulla corsa e sull'alesaggio, due motori con diverse cilindrate e stesse superfici dei pistoni con la conseguenza di avere la stessa potenza. O addirittura fare un motore più performante con cilindrata minore semplicemente aumentando l'alesaggio dei pistoni.

Parlando del numero di giri:
Anche in questo caso, contrariamente al caso comune, non è vero che un motore in grado di salire molto di giri è in grado di erogare grandi potenze. La potenza è invece legata alla Up. Si possono quindi avere grandi potenze in motori lenti. E' pur vero, come vedremo nel prossimo capitolo, che conviene nei 4T a benzina, progettare motori con grande alesaggio, piccola corsa ed alto numero di giri massimo, se si cerca la massima potenza, per cui in motori simili (come la f1), a parità di altre condizioni, il numero di giri può essere un indice del carattere di esasperazione del motore, pur non condizionandone espressamente la potenza.