mercoledì 3 giugno 2015

Come aumentare la cilindrata di un motore

La cilindrata di un motore è uno dei fattori principali che definiscono il grado di prestazioni che esso è in grado di dare, maggiore essa è, maggior potenza esso solitamente darà, questo articolo tratta dei vari metodi che consentono aumentarla per incrementare coppia e potenza.


La cilindrata di un motore determina in gran misura le prestazioni raggiungibili, motori di gran cubatura solitamente svilupperanno maggiore potenza rispetto a motori dalla cubatura più esigua (salvo casi di motori di piccola cubatura sovralimentati che avvolte possono rivaleggiare con motori aspirati dalla cilindrata maggiore).Quindi, come dice un vecchio detto caro agli Americani, "nulla sostituisce i pollici cubi" ovvero, maggiorare la cilindrata porta sempre incrementi di coppia e potenza sostanziali e difficili o costosi da ottenere con altri metodi di elaborazione.Esistono diverse strade per aumentare la cubatura di un motore a combustione interna, principalmente si tratta di incrementare le sue misure caratteristiche, corsa e/o alesaggio o ambe due insieme.  




Aumentare l'alesaggio


Per aumentare l'alesaggio, dobbiamo intervenire con la rettifica dei cilindri fino a portare ad un diametro maggiore.  


alesatura di un monoblocco 6 cilindri in linea
Alesatura di un monoblocco 6 cilindri in linea in rettifica motori


L'entità dell'alesatura dipenderà dalle tolleranze e dagli spessori delle pareti dei cilindri, spesso, non si va oltre 1 mm di maggiorazione, ma in alcuni casi, si può osare anche vari mm se le canne cilindri sono molto spesse e l'interasse cilindri adeguato.  Spesso però, il limite viene dato dalla conformazione delle camere di scoppio dentro le testate, difficile trovare troppo materiale tra due cilindri contigui, questo fa si che ci sia poco spazio per la guarnizione testata.


Canne cilindri a "secco" riportate a pressione e rettificate
Canne cilindri dall'alesaggio maggiorato riportate a pressione in un monoblocco in alluminio

Nei motori con canne riportate a secco, come molti motori con monoblocchi in lega d'alluminio, queste sono inserite a "pressione" dentro il cilindro del monoblocco, esso sono solitamente in ghisa o in acciaio ed hanno spessori di pochi millimetri. 
Alesatura cilindri di canne a "secco" riportate a pressione
Alesatura cilindri in una canna riportata


Per poter incrementare l'alesaggio in questi casi, si deve studiare lo spessore di queste canne, se si ha uno spessore sufficiente, si potrebbe procedere alla rettifica per portare alla nuova misura di alesaggio.
Purtroppo, spesso le canne riportate hanno spessori di parete molto esigui, anche di 1 mm che non consente in modo "sicuro" l'alesatura. In questi casi, si consiglia di asportare queste canne e alesare il monoblocco per accogliere canne maggiorate.
Nei motori in cui si usano canne "umide", spesso si potranno sostituire con canne maggiorate senza dover apportare lavorazioni aggiuntive, sempre a patto di avere i giusti spessori di parete necessarie per restare in "sicurezza".


Camicia cilindro prima dell'installazione dentro un motore
Camicia cilindro a "secco" e monoblocco in alesatura 

In alcune applicazioni estreme dove l'interasse cilindri è molto stretto non consentendo alesature oltre 1 mm, spesso si ricorre all'uso di canne in materiali con caratteristiche meccaniche maggiorate, come passare da canne in ghisa normale a ghisa sferoidale, o anche passare a canne in acciaio (ma che richiedono fasce di tenuta specialmente formulate per canne cilindri in acciaio, altrimenti, si consumerebbero se usate fasce per cilindri in ghisa).


canna cilindri maggiorata con relativo pistone e spinotto
Canna cilindro a "secco" con relativi pistone e spinotto abbinati

Tutte queste lavorazioni si devono fare presso una rettifica di motori, solitamente richiedono di macchinari costosi e difficili da procurare per un appassionato del "fai da te", in casi particolari però, utenti più esperti nel campo delle lavorazioni meccaniche per asportazione di truciolo, potrebbero realizzare questi lavori "in casa" se dispongono delle attrezzature adeguate (fresa verticale con tutto il corredo necessario).


monoblocco V8 in lavorazione di alesatura/rettifica cilindri
Alesatura/rettifica cilindri di un V8, si noti la piastra "falsa testata" nel lato della V dove si sta effettuando la lavorazione, serve a ridurre le distorsioni del cilindro durante l'operazione di alesatura e/o rettifica, simula la testata al suo posto. 


Aumentare la Corsa 


Aumentare la corsa di un motore garantisce spesso risultati migliori in termini di aumento di cubatura, ma comporta la sostituzione dell'albero motore per uno realizzato apposta, purtroppo questa è una soluzione molto costosa, alberi motore forgiati per motori americani possono costare sui 1000-1800 Euro (perché molto diffusi e richiesti), altri invece, possono superare abbondantemente i 3000 Euro per vetture europee.


Albero motore maggiorato (forgiato) per un motore V8
Albero motore forgiato di ottima fattura per un V8 Americano tipo "cross plane" ovvero, con manovelle a 90 gradi.

Quando si sostituisce l'albero motore originale per uno maggiorato, il limite all'incremento di corsa viene dato dagli ingombri di esso con le bielle montate all'interno del monoblocco, infatti, aumentando la corsa, spesso si va ad urtare con le bielle all'interno del monoblocco e quindi si richiede di limare un po quest'ultimo affinché l'albero motore possa girare liberamente con le bielle montate. Considerare di lasciare almeno 0,5mm di gioco per garantire che a caldo vi sia sempre un minimo gioco con il monoblocco.


Modifiche al monoblocco per uso corsa maggiorata
Modifica del monoblocco per interferenza della biella quando si usa uno stroker kit a corsa maggiorata.

modifiche al monoblocco
dettaglio della modifica necessaria per far muovere liberamente la biella nel monoblocco dopo l'uso di un albero motore a corsa allungata.

Quando si sostituisce l'albero motore per uno maggiorato, è indispensabile sostituire anche le bielle per altre più corte, altrimenti, il pistone sporgerà fuori dal monoblocco in rapporto all'incremento di corsa fatto!!  In alcuni casi però (quando l'incremento di corsa non è esagerato), è possibile prendere dei pistoni con l'altezza di compressione minore e quindi con l'asse dello spinotto spostato qualche millimetro più su.


Altezza di compressione diversa tra due pistoni per lo stesso motore
Comparazione di due pistoni stampati per lo stesso motore, quello a sx viene usato per corsa originale (quindi anche albero a gomiti e bielle dalle lunghezze originali) mentre quello a dx ha l'altezza di compressione ridotta per abbinare con biella più lunga e diminuire angolo biella e favorire i giri elevati, o per essere abbinato a stroker kit senza sostituire le bielle dalle lunghezze originali. 

Sostituire l'albero motore per uno a corsa maggiorato, purtroppo comporta sia l'incremento dell'inerzia ed il peso di quest'ultimo, sia la riduzione dei giri massimi "possibili" o "raccomandabili" visto che incrementa le sollecitazioni meccaniche all'interno del motore.
Avere una corsa maggiore significa aumentare le forze d'inerzia quando il pistone si trova ai punti morti a parità di giri motore.
Aumentano anche le perdite per attrito tra canne cilindri e pistoni perché con la corsa maggiorata e la biella più corta, si aumenta l'obliquità della biella (angolo massimo tra asse dei cilindri e l'angolo massimo della biella).  


Angolo massimo biella rispetto asse cilindri
Angolo biella (Beta) costituito tra l'asse del cilindro e l'angolo massimo formato biella rispetto al piede di biella, più e lunga la corsa (a) più questo aumenta e viceversa.

Angolo massimo biella rispetto all'asse del cilindro
Angolo massimo biella (beta), r è il raggio di manovella pari alla metà della corsa.

carico laterale su cilindri dal movimento del pistone durante il funzionamento
Carico laterale del mantello del pistone durante il suo funzionamento in un arco di rotazione completa dell'albero motore, il picco più alto corrisponde al momento in cui avviene lo scoppio ed il carico sul pistone spinge la biella verso il basso in modo obliquo.

Volendo fare un'elaborazione più professionale, si dovrebbe (quando possibile o consentito dai regolamenti), incrementare l'altezza del monoblocco, magari utilizzando un monoblocco appartenente ad una famiglia di motori più grande che condivide le caratteristiche costruttive, come per esempio, volendo incrementare la corsa in un motore FIRE 1100, si potrebbe adottare il monoblocco FIRE 1200cc per esempio che è più lungo. In questo modo, andremo a ridurre l'angolo della biella che andrà a ridurre le perdite per attrito tra le pareti del cilindro ed il pistone, questo, a sua volta, farà guadagnare anche qualcosa a livello di prestazioni.
In altri casi, più rari, ho visto soluzioni poco ortodosse come il saldare un pezzo di monoblocco sopra quello da maggiorare e poi rifacendo le canne cilindri, stesso approccio ma più professionale l'ho visto su motori Rover da superturismo / BTCC dove veniva usato un distanziale in alluminio sopra il monoblocco (originale di derivazione stradale).


un libro di teoria sui motori a combustione interna raccomandato:

Aumentare Corsa ed Alesaggio


Questo è il metodo più redditizio per incrementare la cilindrata, nonché, quello più costoso, esso infatti prevede tutte le lavorazioni e sostituzione di pezzi sopra indicati, quindi alesatura canne cilindri con relativi pistoni maggiorati, albero motore con corsa aumentata insieme a bielle più corte ed ovviamente, tutte le lavorazioni necessarie all'interno del monoblocco.
In Italia non è una formula molto usata per ragioni di costi prevalentemente, sostituire l'albero motore è una spesa costosa, sopratutto considerando il fatto che spesso, si deve fare su misura e quindi non vi sono grosse economie industriali per i fabbricanti che sono costretti ad applicare prezzi elevati per pezzi unici o comunque, a tiratura limitata.


stroker kit con albero motore, bielle e pistoni, tutti ricavati per forgiatura e lavorazioni CNC
Stroker Kit per un motore 4 cilindri giapponese, si noti l'uso di albero motore, bielle ad "H" rovesciata e pistoni, tutti ricavati per forgiatura e successive lavorazioni CNC.

Discorso diverso invece in altre nazione dove l'elaborazione motoristica e delle autovetture in generale è molto più diffuso e l'incremento di cilindrata spesso è uno degli step preferiti, questi vengono commercializzati in KIT con tutto l'occorrente per il corretto montaggio e dovuto alla grande diffusione, spesso i prezzi sono molto più abbordabili grazie ai grossi volumi di vendite che giustificano al costruttore grosse economie industriali.
Si pensi che per i KIT per rifare motori V8 "Americani" classici, si possono trovare "Stroker Kits" (così vengono chiamati in inglese) dove il costo può rientrare entro i 2000-2500 $ tutto compreso (pistoni maggiorati, bielle più corte, albero motore e guarnizioni varie e tutto per un V8!!), questi prezzi da noi sono impensabili, per un 4 cilindri, lavori di rettifica a parte, si deve preventivare almeno 5000 Euro per modelli più o meno gettonati ed oltre 6000 Euro per modelli non comuni.


stroker kit per motore V8 americano, albero motore (forgiato), pistoni (forgiati), bielle (forgiate) e bronzine
Stroker kit per un motore V8 Americano che include tutto, Albero motore maggiorato, bielle stampate con profilo classico ad "I", pistoni stampati maggiorati anch'essi ottenuti per forgiatura ed un set bronzine a strisciamento.

Si veda anche: Cilindrata Motore

un' altro paio di libro di teoria sui motori a combustione interna raccomandati:



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