Stroker
06-15-2004, 12:34 AM
Mi cimento per primo nel primo argomento del Forum dei malati terminali di "motorite"..hehehe!!!!
Bene, parliamo del rapporto di compressione di un motore!
Penso che tutti abbiamo un' idea di cosa sia... ed a cosa serva!
Ma il rapporto di compressione che dichiarano le case cosa è?
Ma il rapporto di compressione dichiarato è importante?
Ma se cambiano altre componenti del motore, cambiano le cose?
Ma quale è la compressione ideale?
Ma quali fattori esterni influiscono sulla compressione?
.... insomma, quali sono le cose da sapere sul rapporto di compressione?
Ovvio che non posso rispondere a tutti questi quesiti in un solo post.... ma comincerò dal primo... in modo che potrete anche aggiungerne in base ad i vostri dubbi.
....ahh dimenticavo.... non voglio fare il "saputello".... voglio solo rendere disponibile a tutti quello che ho imparato.... se mi vedete come un "saccente" antipatico, ditelo subito...ok?
Abbiamo detto che sappiamo cosa è il rapporto di compressione di un motore.... ma lo sappiamo calcolare??
Il rapporto di compressione geometrico si calcola abbastanza facilmente, ma servo molti dati e molte misure.
In particolare serve:
1) alesaggio
2) corsa
3) deck height
4) volume del dome del pistone (o eventuale dish)
5) volume camera di scoppio
6) spessore guarnizione testa
7) alesaggio guarnizione testa
Cominciamo:
Lo "SWEPT VOLUME" è la cilindrata unitaria del motore, che corrisponde a:
(alesaggio/2)*(alesaggio/2) * 3.14 * corsa
....scusate, mi è partito il "colpo"...non dovevo inviare il post..!...proseguiam o!
La cilindrata unitaria del motore corrisponde a:
(alesaggio/2)*(alesaggio/2) * 3.14 * corsa (chiamiamolo SWEPT VOLUME)
Il volume della camera di scoppio è normalmente espresso in cc. e per trasformare in CI (pollici cubi) va diviso per 16.387 quindi:
(cc. camera) / 16.387 (chiamiamolo CHAMBER VOLUME)
Il volume della guarnizione testa è pari a:
(ales.guarnizione/2)*(ales.guarnizione/2) * 3.14 * spes.guarnizione
(chiamiamolo GASKET VOLUME)
Il volume della gobba o della svasatura che c'è sul cielo del pistone.... normalmente si considera positivo nel caso del pistone "Domed" e negativo nel caso del pistone "Dished"
(chiamiamolo DOME VOLUME)
Quindi..... il volume base per i calcoli corrisponde a:
SWEPT VOLUME + CHAMBER VOLUME + GASKET VOLUME - DOME VOLUME
(chiamiamolo TOTAL VOLUME)
questo valore equivale alla quantità di liquido che si potrebbe iniettare dentro il cilindro con il pistone al Punto Morto Inferiore fino a riempire il tutto dal foro della candela!
Adesso ci serve il volume che risulterebbe con il pistone al Punto Morto Superiore:
CHAMBER VOLUME + GASKET VOLUME - DOME VOLUME (chiamiamolo COMPRESSED VOLUME)
A questo punto il nostro rapporto di compressione risulta essere:
TOTAL VOLUME / COMPRESSED VOLUME
In vero ci sarebbe da tenere in considerazione anche il "deck height" che è la misura di quando la parte piana del cielo del pistone rimane indietro rispetto al piano del monoblocco (dove poggia la guarnizione testa)... in quanto anch' esso determina un volume che va ad aumentare il TOTAL VOLUME ed a diminuire il COMPRESSED VOLUME (quindi diminuisce leggerissimamente il rapporto di compressione).
Comunque, nei motori normali con bielle di acciaio questa misura è molto limitata e normalmente non supera i 0.015" .... quindi direi trascurabile.
Fate i calcoli per bene e con tutti i valori.... e vedrete che il rapporto di compressione che usate è ben diverso dall' ipotesi CILINDRATA UNITARIA / CAMERA DI SCOPPIO che normalmente si fa!
QUESTO E' IL RAPPORTO DI COMPRESSIONE GEOMETRICO
Il rapporto di compressione geometrico è un dato che serve solo a dare un indizio approssimativo sul RAPPORTO DI COMPRESSIONE EFFETTIVO!
Infatti ciò che conta realmente è la COMPRESSIONE DINAMICA.... che è enormemente diversa da quella statica!
..ma vediamo perchè...!!
Il rapporto di compressione geometrico sarebbe pari a quello dinamico solo nel caso in cui il riempimento volumetrico dei cilindri fosse pari al 100% ad ogni regime di giri.... ma questo non si verifica quasi mai!
Inoltre ci sono altri fattori che influenzano la pressione effettiva che si raggiunge durante la fase di compressione di un motore a 4 tempi... per esempio, uno dei più macroscopici, la fasatura dell'albero a cammes!!!
Ma cominciamo ad analizzare l'influenza dell'efficienza volumetrica...
L'efficienza volumetrica esprime, in termini percentuali, quanto il riempimento del cilindro sia efficiente (appunto...) durante la fase di aspirazione. Se questo parametro non fosse molto lontano da quello ideale (almeno nei motori stradali) non ci sarebbe nessuna ragione al mondo di sostituire collettori di aspirazione e cammes per avere più cavalli!
In effetti un motore è principalmente una pompa d'aria.... meglio funziona e più cavalli dà.
..torniamo alla compressione...
Un motore con buone caratteristiche di "respirazione" può raggiungere una efficienza volumetrica vicina all' 85-90% intorno al regime di coppia massima... a regimi più bassi ed al salire dei giri la capacità di riempimento cala drasticamente.
Vediamo quindi che se un motore ha compressione geometrica diciamo di 10:1 la compressione effettiva sarà circa 9:1 intorno al regime di coppia massima.... e potrà scendere anche a
7.5-8:1 a regimi diversi.
Questo potrebbe far pensare che si possano utilizzare compressioni molto alte senza problemi.... ma non è così!
Un ulteriore fattore importante è la temperatura!
Si sa infatti che un qualsiasi elemento (gas, liquido, solido...) cresce in volume con la seguente regola:
V = Vo*(1 + 3*Cd*deltaT)
dove
Cd = coefficiente di dilatazione specifica (ogni materiale ha il suo.... per l'aria è 3,67/1000 )
Vo = dimensione originale
deltaT = incremento temperatura in Celsius (...lo sapete che non si chiamano centigradi.... vero?)
si vede che un innalzamento della temperatura dell' aria di circa 50C° corrisponde ad un aumento in volume di circa il 55%..... ma ci sono altri fattori... visto che la densità diminuisce proporzionalmente... comunque proseguiamo!
Un ulteriore fattore che influisce PESANTEMENTE sulla compressione effettiva è il diagramma di distribuzione.
Infatti la valvola di aspirazione si chiude ben oltre il Punto Morto Inferiore (che sarebbe il punto in cui incomincia la corsa del pistone... che comprime l'aria durante la sua corsa verso la teste)
Vi faccio un esempio:
Il mio motore ha un Rapporto di Compressione Geometrico di
13.3:1
Ma dopo tutti i calcoli che servono per determinare le perdite dovute agli incroci di distribuzione risulta di
10.3:1
Ovviamente la scelta dell' albero a cammes è fondamentale.... con una cammes più "tranquilla" avrei ottenuto una compressione estremamente più elevata.... con i risultati noti a tutti!!
Come promesso prosegiuamo coni componenti che influiscono sul rapporto di compressione!
I componenti che maggiormente influiscono sul rapporto di compressione dinamico sono:
1) Albero a cammes
2) Collettore di aspirazione
L'albero a cammes influisce sulla compressione dinamica (e quindi effettiva) in un modo molto evidente... maggiore sarà la durata di apertura della valvola di aspirazione, minore sarà la compressione effettiva.... infatti se vi capita di controllare le caratteristiche dichiarate da un qualsiasi costruttore serio di alberi a cammes, oltre che ai diagrammi di apertura e chiusura di aspirazione e scarico, troverete anche la "lobe separation", la "lobe center line" ed anche la compressione consigliata per il motore che lo utilizzerà.
Sono due i fattori fondamentali del diagramma di una camme che influiscono:
A) durata apertura aspirazione
B) Lobe Separation ( separazione, in gradi, tra i due lobi della camme)
Ovviamente è abbastanza intuitivo che per una durata di apertura dell'aspirazione maggiore, la compressione effettiva è mediamente inferiore (minore la corsa del pistone con valvole chiuse)
La Lobe Separation influisce altrettanto pesantemente, infatti immaginiamo due cammes con durata di 230° (apertura 8° BTDC chiusura 42° ABDC) all' aspirazione, ma con Lobe separation di 110° e 116°.
Se la Lobe Separation è 6° maggiore, conseguentemente lo scarico sarà anticipato di 3° e l'aspirazione ritardata di 3°
Si nota che le due cammes dell'esempio, nonostante abbiano durate identiche, differiscono per una corsa attiva del pistone durante la fare di compressione pari a sen(3° + 42°).
Quantificando il valore si vede che la differenza tra il sen 42° ed il sen 45° equivale a circa il 2.5% della corsa totale.
Siccome la corsa attiva nel caso della prima camme vale circa il 74% della corsa totale, si evince da una facile proporzione che con la seconda cammes la corsa attiva del pistone è inferiore del 3.3%
Il risultato netto è una riduzione della compressione effettiva del 3.3% con la cammes che ha una Lobe Separation maggiore tra le due!!!!!!!!!!!!!!!!! !
Vi potete facilmente immaginare quanto le cose siano accentuate cambiando una cammes di serie (intorno ai 200°) con una tipica Performer RPM della Edelbrock che ha durata 234°.
Ovviamente i calcoli da fare sarebbero relativi anche alle inerzie delle colonne d'aria nei condotti di aspirazione.... i quali possono (a certi regimi) anche compensare totalmente le perdite di compressione, impedendo la fuoriuscita della miscela in fase di compressione!
Qui entra in gioco il collettore di aspirazione!
Alcuni collettori ben progettati (tipo i Tunnel Ram) riescono a sfruttare le armoniche derivanti dalle pulsazioni presenti sulle colonne d'aria di ogni condotto.
Accordando in modo opportuno queste pulsazioni si riesce a sfruttare il principio del RISONATORE di HELMOTZ in modo da avere un' onda d'urto di ritorno sul condotto che vada a compensare le perdite di compressione e la conseguante fuoriuscita della miscela aria/benzina nella fase finale della fase di aspirazione.
Se avete notato, un motore con una cammes spinta (lunghe durate di scarico e di aspirazione e tipicamente una Lobe Separation ridotta) ha un funzionamento pochissimo efficiente ai bassi regimi.... minimo zoppicante e risposta ai comandi dell'acceleratore lenta ai bassi regimi.
Ma quando il sistema comincia a funzionare alle frequenze per le quali è accordato, l'efficienza del collettore unitamente alla cammes può in certi casi superare il 100%!!!!!!!!!!
Questo significa che al regime di coppia massima il riempimento del cilindro è superiore al proprio volume teorico...... tutto questo si chiama effetto RAM.
Conseguenza diretta è il fatto che la compressione effettiva, in queste condizioni ottimali di funzionamento, sarà SUPERIORE a quella geometrica!!!!!!!!!! !!!!!!!!!!!.... chiaro?
Bene, come si vede non ci sono regole fisse da seguire, ma bisogna sempre tenete conto di tutti i componenti vitali di un motore durante la sua definizione!
Se cammes, teste, collettore di aspirazione, scarico, compressione etc. sono ben amalgamati, il risultato sulla potenza del motore sarà ben SUPERIORE della somma algebrica di quanto ogni singolo componente darebbe se montato da solo.
Bene, parliamo del rapporto di compressione di un motore!
Penso che tutti abbiamo un' idea di cosa sia... ed a cosa serva!
Ma il rapporto di compressione che dichiarano le case cosa è?
Ma il rapporto di compressione dichiarato è importante?
Ma se cambiano altre componenti del motore, cambiano le cose?
Ma quale è la compressione ideale?
Ma quali fattori esterni influiscono sulla compressione?
.... insomma, quali sono le cose da sapere sul rapporto di compressione?
Ovvio che non posso rispondere a tutti questi quesiti in un solo post.... ma comincerò dal primo... in modo che potrete anche aggiungerne in base ad i vostri dubbi.
....ahh dimenticavo.... non voglio fare il "saputello".... voglio solo rendere disponibile a tutti quello che ho imparato.... se mi vedete come un "saccente" antipatico, ditelo subito...ok?
Abbiamo detto che sappiamo cosa è il rapporto di compressione di un motore.... ma lo sappiamo calcolare??
Il rapporto di compressione geometrico si calcola abbastanza facilmente, ma servo molti dati e molte misure.
In particolare serve:
1) alesaggio
2) corsa
3) deck height
4) volume del dome del pistone (o eventuale dish)
5) volume camera di scoppio
6) spessore guarnizione testa
7) alesaggio guarnizione testa
Cominciamo:
Lo "SWEPT VOLUME" è la cilindrata unitaria del motore, che corrisponde a:
(alesaggio/2)*(alesaggio/2) * 3.14 * corsa
....scusate, mi è partito il "colpo"...non dovevo inviare il post..!...proseguiam o!
La cilindrata unitaria del motore corrisponde a:
(alesaggio/2)*(alesaggio/2) * 3.14 * corsa (chiamiamolo SWEPT VOLUME)
Il volume della camera di scoppio è normalmente espresso in cc. e per trasformare in CI (pollici cubi) va diviso per 16.387 quindi:
(cc. camera) / 16.387 (chiamiamolo CHAMBER VOLUME)
Il volume della guarnizione testa è pari a:
(ales.guarnizione/2)*(ales.guarnizione/2) * 3.14 * spes.guarnizione
(chiamiamolo GASKET VOLUME)
Il volume della gobba o della svasatura che c'è sul cielo del pistone.... normalmente si considera positivo nel caso del pistone "Domed" e negativo nel caso del pistone "Dished"
(chiamiamolo DOME VOLUME)
Quindi..... il volume base per i calcoli corrisponde a:
SWEPT VOLUME + CHAMBER VOLUME + GASKET VOLUME - DOME VOLUME
(chiamiamolo TOTAL VOLUME)
questo valore equivale alla quantità di liquido che si potrebbe iniettare dentro il cilindro con il pistone al Punto Morto Inferiore fino a riempire il tutto dal foro della candela!
Adesso ci serve il volume che risulterebbe con il pistone al Punto Morto Superiore:
CHAMBER VOLUME + GASKET VOLUME - DOME VOLUME (chiamiamolo COMPRESSED VOLUME)
A questo punto il nostro rapporto di compressione risulta essere:
TOTAL VOLUME / COMPRESSED VOLUME
In vero ci sarebbe da tenere in considerazione anche il "deck height" che è la misura di quando la parte piana del cielo del pistone rimane indietro rispetto al piano del monoblocco (dove poggia la guarnizione testa)... in quanto anch' esso determina un volume che va ad aumentare il TOTAL VOLUME ed a diminuire il COMPRESSED VOLUME (quindi diminuisce leggerissimamente il rapporto di compressione).
Comunque, nei motori normali con bielle di acciaio questa misura è molto limitata e normalmente non supera i 0.015" .... quindi direi trascurabile.
Fate i calcoli per bene e con tutti i valori.... e vedrete che il rapporto di compressione che usate è ben diverso dall' ipotesi CILINDRATA UNITARIA / CAMERA DI SCOPPIO che normalmente si fa!
QUESTO E' IL RAPPORTO DI COMPRESSIONE GEOMETRICO
Il rapporto di compressione geometrico è un dato che serve solo a dare un indizio approssimativo sul RAPPORTO DI COMPRESSIONE EFFETTIVO!
Infatti ciò che conta realmente è la COMPRESSIONE DINAMICA.... che è enormemente diversa da quella statica!
..ma vediamo perchè...!!
Il rapporto di compressione geometrico sarebbe pari a quello dinamico solo nel caso in cui il riempimento volumetrico dei cilindri fosse pari al 100% ad ogni regime di giri.... ma questo non si verifica quasi mai!
Inoltre ci sono altri fattori che influenzano la pressione effettiva che si raggiunge durante la fase di compressione di un motore a 4 tempi... per esempio, uno dei più macroscopici, la fasatura dell'albero a cammes!!!
Ma cominciamo ad analizzare l'influenza dell'efficienza volumetrica...
L'efficienza volumetrica esprime, in termini percentuali, quanto il riempimento del cilindro sia efficiente (appunto...) durante la fase di aspirazione. Se questo parametro non fosse molto lontano da quello ideale (almeno nei motori stradali) non ci sarebbe nessuna ragione al mondo di sostituire collettori di aspirazione e cammes per avere più cavalli!
In effetti un motore è principalmente una pompa d'aria.... meglio funziona e più cavalli dà.
..torniamo alla compressione...
Un motore con buone caratteristiche di "respirazione" può raggiungere una efficienza volumetrica vicina all' 85-90% intorno al regime di coppia massima... a regimi più bassi ed al salire dei giri la capacità di riempimento cala drasticamente.
Vediamo quindi che se un motore ha compressione geometrica diciamo di 10:1 la compressione effettiva sarà circa 9:1 intorno al regime di coppia massima.... e potrà scendere anche a
7.5-8:1 a regimi diversi.
Questo potrebbe far pensare che si possano utilizzare compressioni molto alte senza problemi.... ma non è così!
Un ulteriore fattore importante è la temperatura!
Si sa infatti che un qualsiasi elemento (gas, liquido, solido...) cresce in volume con la seguente regola:
V = Vo*(1 + 3*Cd*deltaT)
dove
Cd = coefficiente di dilatazione specifica (ogni materiale ha il suo.... per l'aria è 3,67/1000 )
Vo = dimensione originale
deltaT = incremento temperatura in Celsius (...lo sapete che non si chiamano centigradi.... vero?)
si vede che un innalzamento della temperatura dell' aria di circa 50C° corrisponde ad un aumento in volume di circa il 55%..... ma ci sono altri fattori... visto che la densità diminuisce proporzionalmente... comunque proseguiamo!
Un ulteriore fattore che influisce PESANTEMENTE sulla compressione effettiva è il diagramma di distribuzione.
Infatti la valvola di aspirazione si chiude ben oltre il Punto Morto Inferiore (che sarebbe il punto in cui incomincia la corsa del pistone... che comprime l'aria durante la sua corsa verso la teste)
Vi faccio un esempio:
Il mio motore ha un Rapporto di Compressione Geometrico di
13.3:1
Ma dopo tutti i calcoli che servono per determinare le perdite dovute agli incroci di distribuzione risulta di
10.3:1
Ovviamente la scelta dell' albero a cammes è fondamentale.... con una cammes più "tranquilla" avrei ottenuto una compressione estremamente più elevata.... con i risultati noti a tutti!!
Come promesso prosegiuamo coni componenti che influiscono sul rapporto di compressione!
I componenti che maggiormente influiscono sul rapporto di compressione dinamico sono:
1) Albero a cammes
2) Collettore di aspirazione
L'albero a cammes influisce sulla compressione dinamica (e quindi effettiva) in un modo molto evidente... maggiore sarà la durata di apertura della valvola di aspirazione, minore sarà la compressione effettiva.... infatti se vi capita di controllare le caratteristiche dichiarate da un qualsiasi costruttore serio di alberi a cammes, oltre che ai diagrammi di apertura e chiusura di aspirazione e scarico, troverete anche la "lobe separation", la "lobe center line" ed anche la compressione consigliata per il motore che lo utilizzerà.
Sono due i fattori fondamentali del diagramma di una camme che influiscono:
A) durata apertura aspirazione
B) Lobe Separation ( separazione, in gradi, tra i due lobi della camme)
Ovviamente è abbastanza intuitivo che per una durata di apertura dell'aspirazione maggiore, la compressione effettiva è mediamente inferiore (minore la corsa del pistone con valvole chiuse)
La Lobe Separation influisce altrettanto pesantemente, infatti immaginiamo due cammes con durata di 230° (apertura 8° BTDC chiusura 42° ABDC) all' aspirazione, ma con Lobe separation di 110° e 116°.
Se la Lobe Separation è 6° maggiore, conseguentemente lo scarico sarà anticipato di 3° e l'aspirazione ritardata di 3°
Si nota che le due cammes dell'esempio, nonostante abbiano durate identiche, differiscono per una corsa attiva del pistone durante la fare di compressione pari a sen(3° + 42°).
Quantificando il valore si vede che la differenza tra il sen 42° ed il sen 45° equivale a circa il 2.5% della corsa totale.
Siccome la corsa attiva nel caso della prima camme vale circa il 74% della corsa totale, si evince da una facile proporzione che con la seconda cammes la corsa attiva del pistone è inferiore del 3.3%
Il risultato netto è una riduzione della compressione effettiva del 3.3% con la cammes che ha una Lobe Separation maggiore tra le due!!!!!!!!!!!!!!!!! !
Vi potete facilmente immaginare quanto le cose siano accentuate cambiando una cammes di serie (intorno ai 200°) con una tipica Performer RPM della Edelbrock che ha durata 234°.
Ovviamente i calcoli da fare sarebbero relativi anche alle inerzie delle colonne d'aria nei condotti di aspirazione.... i quali possono (a certi regimi) anche compensare totalmente le perdite di compressione, impedendo la fuoriuscita della miscela in fase di compressione!
Qui entra in gioco il collettore di aspirazione!
Alcuni collettori ben progettati (tipo i Tunnel Ram) riescono a sfruttare le armoniche derivanti dalle pulsazioni presenti sulle colonne d'aria di ogni condotto.
Accordando in modo opportuno queste pulsazioni si riesce a sfruttare il principio del RISONATORE di HELMOTZ in modo da avere un' onda d'urto di ritorno sul condotto che vada a compensare le perdite di compressione e la conseguante fuoriuscita della miscela aria/benzina nella fase finale della fase di aspirazione.
Se avete notato, un motore con una cammes spinta (lunghe durate di scarico e di aspirazione e tipicamente una Lobe Separation ridotta) ha un funzionamento pochissimo efficiente ai bassi regimi.... minimo zoppicante e risposta ai comandi dell'acceleratore lenta ai bassi regimi.
Ma quando il sistema comincia a funzionare alle frequenze per le quali è accordato, l'efficienza del collettore unitamente alla cammes può in certi casi superare il 100%!!!!!!!!!!
Questo significa che al regime di coppia massima il riempimento del cilindro è superiore al proprio volume teorico...... tutto questo si chiama effetto RAM.
Conseguenza diretta è il fatto che la compressione effettiva, in queste condizioni ottimali di funzionamento, sarà SUPERIORE a quella geometrica!!!!!!!!!! !!!!!!!!!!!.... chiaro?
Bene, come si vede non ci sono regole fisse da seguire, ma bisogna sempre tenete conto di tutti i componenti vitali di un motore durante la sua definizione!
Se cammes, teste, collettore di aspirazione, scarico, compressione etc. sono ben amalgamati, il risultato sulla potenza del motore sarà ben SUPERIORE della somma algebrica di quanto ogni singolo componente darebbe se montato da solo.