Efficienza dei motori

Calcolo del lavoro indicato e della pressione media effettiva nei motori a combustione interna

Nel campo della motoristica, il lavoro indicato per ciclo (Li) è calcolato come l'area sottesa dal ciclo termodinamico nel diagramma pressione-volume (pV), rappresentando l'energia trasferita dal fluido di lavoro al pistone. La pressione media effettiva (pme), invece, è una misura del lavoro utile per ciclo che il motore può effettivamente fornire all'albero motore, dopo aver sottratto le perdite dovute all'attrito e ad altri fattori. La pme è influenzata da vari fattori, tra cui l'attrito interno, le perdite per pompaggio e l'efficienza dei sistemi ausiliari. Il rendimento meccanico, che è il rapporto tra lavoro utile e lavoro indicato, considera queste perdite e determina quanto del lavoro prodotto è effettivamente disponibile per il funzionamento del veicolo.

Influenza della velocità media del pistone e del carico sul rendimento meccanico

Il rendimento meccanico di un motore è influenzato dalla velocità media del pistone (Cm) e dalla pressione media indicata (pmi), che rappresenta il carico del motore. Con l'aumento della pmi, la percentuale di perdite fisse, indipendenti dalla pmi, si riduce, migliorando il rendimento meccanico. Tuttavia, ad alte velocità del pistone, il rendimento meccanico tende a diminuire a causa dell'incremento delle perdite per attrito e delle maggiori difficoltà nella gestione della combustione. Inoltre, a carichi bassi o in condizioni di motore al minimo, il rendimento meccanico può essere estremamente basso o prossimo allo zero, poiché le perdite fisse possono assorbire quasi completamente il lavoro prodotto.

Rendimento di combustione e influenze operative

Il rendimento di combustione, che indica l'efficienza con cui l'energia chimica del combustibile viene convertita in lavoro meccanico, è influenzato dal numero di giri del motore. A bassi regimi, la mancanza di turbolenza può limitare la miscelazione del combustibile con l'aria, mentre a regimi elevati, il tempo ridotto per la combustione può causare incombustione e rilascio inefficiente di energia. Nei motori ad accensione comandata, il ricircolo dei gas di scarico (EGR) può influenzare negativamente la combustione, specialmente a bassi carichi. I motori Diesel, grazie alla loro capacità di gestire meglio la combustione a carichi variabili, sono meno sensibili alle variazioni di regime.

Curva di prestazione dei motori e impatto del numero di giri

Le curve di prestazione dei motori mostrano la relazione tra potenza, coppia e numero di giri, e sono fondamentali per determinare l'efficienza di un motore e il punto di funzionamento ottimale. La coppia motrice generalmente aumenta con il numero di giri fino a un certo punto, per poi diminuire, mentre la potenza può essere mantenuta ad alti regimi grazie alla capacità del motore di "allungare". Il consumo specifico di combustibile (CS) tende ad aumentare con il numero di giri, riflettendo un peggioramento del rendimento meccanico a regimi elevati.

Motori sovralimentati e loro comportamento prestazionale

I motori sovralimentati, grazie all'incremento della massa d'aria immessa nei cilindri, presentano una curva di coppia più piatta rispetto ai motori aspirati, offrendo una migliore guidabilità e prestazioni superiori. La coppia prodotta dipende dal grado di sovralimentazione e può rimanere elevata anche a fronte di una diminuzione dei rendimenti. Tuttavia, una pressione di sovralimentazione eccessiva può compromettere l'affidabilità del motore, in particolare per le sollecitazioni aggiuntive che si generano sui componenti meccanici.

Efficienza e scelta del punto di funzionamento del motore

La scelta del punto di funzionamento ottimale del motore è essenziale per massimizzare l'efficienza e minimizzare i consumi. Le strategie di downsizing e downspeeding puntano a ottenere la potenza necessaria con un minor numero di giri e una coppia maggiore, avvicinandosi alle condizioni di massimo rendimento. Nella pratica, tuttavia, i motori raramente operano nel punto di massimo rendimento a causa delle varie esigenze di accelerazione e delle caratteristiche di guida del veicolo, che richiedono un compromesso tra efficienza e prestazioni.