Configurazioni dei Motori: Motori in Linea, a V e Boxer

All’alba del XX secolo, quando l’ingegneria automobilistica avanzava a piena velocità, un motore da 10 litri poteva essere sia un’unità monocilindrica sia, ad esempio, un otto cilindri in linea. All’epoca, nessuno si stupiva di un sei cilindri in linea da 23 litri o di un motore aeronautico radiale a sette cilindri trapiantato in un’automobile.

Con l’espansione della produzione di massa e l’intensificarsi delle pressioni sui costi, tutto si è assestato. Il motore monocilindrico è diventato un reperto del passato. Oggi la cilindrata media per cilindro in un motore convenzionale per autovetture si colloca tra i 300 e i 600 centimetri cubici, con una potenza specifica che va da circa 35 CV/l in un diesel aspirato a 100 CV/l in un motore a benzina ad alte prestazioni. Questi sono i punti ottimali per la produzione di massa: discostarsi da essi semplicemente non è economicamente conveniente.

Come si presenta dunque il panorama attuale dei motori? In linea di massima:

• Un motore da 100 CV ha tipicamente quattro cilindri
• Un motore da 200 CV ha solitamente quattro, cinque o sei cilindri
• Un motore da 300 CV utilizza comunemente otto cilindri

Ma come possono essere disposti questi cilindri? Quali opzioni di configurazione hanno gli ingegneri nella progettazione di un motore pluricilindrico? Analizziamolo nel dettaglio.

Motori in Linea: Semplici ma Sempre Meno Pratici

La prima domanda che si pone qualsiasi progettista di motori è come semplificarne il design, mantenendo bassi i costi di produzione e agevole la manutenzione. Su questo fronte, il motore in linea vince senza discussioni. I cilindri sono disposti in un’unica fila e aumentare la cilindrata è semplice come aggiungerne altri.

Ecco come si differenziano in pratica le varianti dei motori in linea:

• I motori a due e tre cilindri sono relativamente rari nelle automobili, sebbene il formato bicilindrici stia tornando in auge grazie all’iniezione diretta avanzata e alla sovralimentazione — il bicilindrici turbo da 85 CV della Fiat 500 ne è un esempio lampante.
• Il quattro cilindri in linea è il cavallo di battaglia del mondo delle autovetture, con cilindrate che vanno da 1,0 a 2,4 litri.
• I motori a cinque cilindri in linea sono uno sviluppo più recente. Mercedes-Benz ha aperto la strada con il cinque cilindri diesel nel 1974 (la 300D sulla piattaforma W123), seguita dal cinque cilindri a benzina da due litri di Audi due anni dopo, poi da Volvo e Fiat che si sono aggiunte alla fine degli anni Ottanta.
• I sei cilindri in linea, a lungo preferiti in Europa per la loro fluidità di marcia, sono diventati sempre più rari. Il loro fratello ancora più lungo, il otto cilindri in linea, fu di fatto abbandonato negli anni Trenta.

Il motivo di questa tendenza è semplice: più cilindri si aggiungono, più il motore si allunga — e questo crea seri problemi di ingombro. Montare trasversalmente un sei cilindri in linea in un vano motore a trazione anteriore, ad esempio, è stato realizzato solo in pochi casi: l’Austin Maxi 2200 (che richiedeva il cambio alloggiato sotto il motore) e la Volvo S80 con il suo cambio ultra-compatto.

Motori a V e Boxer: Compatti ma Complessi

Come si fa quindi ad accorciare un motore in linea? La soluzione elegante: dividerlo a metà, affiancare le due metà e azionare un unico albero motore con entrambe. Questa è l’essenza del motore a V.

Le configurazioni a V più comuni utilizzano un angolo di bancata di 60° o 90°. Portando quell’angolo fino a 180° — con i cilindri che puntano direttamente in direzioni opposte — si ottiene un motore piatto, noto anche come motore boxer (da cui le denominazioni B2, B4, B6).

I compromessi rispetto a un motore in linea sono significativi:

• Due testate — ciascuna con la propria guarnizione e i propri collettori
• Più alberi a camme e una distribuzione più complessa
• Maggiore larghezza (soprattutto per i motori boxer), che limita i possibili posizionamenti
• Costi di produzione più elevati e una manutenzione più complessa

A causa di questi svantaggi, i motori boxer sono utilizzati solo da un numero limitato di costruttori — Porsche e Subaru sono oggi i più noti.

E se si volesse rendere un motore a V ancora più compatto riducendo l’angolo di bancata al di sotto dei 60°? È stato fatto — la Lancia Fulvia degli anni Settanta montava un V4 con un angolo di soli 23°. Ma c’è un problema: più l’angolo si restringe, più il motore è difficile da equilibrare. Il che ci porta a una delle sfide più critiche nella progettazione dei motori.

Le Vibrazioni del Motore: Forze, Coppie e Come Domarle

Nessun motore a combustione interna con pistoni è completamente esente da vibrazioni — è una caratteristica intrinseca del progetto. Ma gestire le vibrazioni è fondamentale, non solo per il comfort dei passeggeri. Vibrazioni severe e non compensate possono distruggere fisicamente i componenti del motore, con tutte le conseguenze catastrofiche che derivano da parti che si staccano ad alta velocità.

Da dove provengono le vibrazioni del motore? Ci sono tre fonti principali:

• Intervalli di accensione non uniformi — in alcune configurazioni di motore, le accensioni non avvengono a intervalli perfettamente uguali, generando irregolarità nella coppia. Un volano più pesante può contribuire ad attenuarle.
• Forze di inerzia dei pistoni — mentre i pistoni accelerano verso l’alto e decelerano in cima alla corsa (e viceversa in basso), generano forze inerziali simili a quelle che si avvertono quando un’auto frena o accelera.
• Geometria della biella — la biella non percorre una traiettoria rettilinea e il movimento del pistone non è un perfetto seno, il che introduce ulteriori componenti di forza a multipli della velocità dell’albero motore.

Queste forze inerziali di ordine superiore sono generalmente trascurabili — eccetto le forze del secondo ordine, che agiscono al doppio della frequenza dell’albero motore e devono sempre essere considerate. Quando le forze inerziali in cilindri adiacenti agiscono in direzioni opposte a una distanza fissa l’una dall’altra, generano anche coppie di forze, aggiungendo un ulteriore livello di complessità.

Gli ingegneri dispongono di due strumenti principali per combattere queste forze:

• Scegliere una configurazione intrinsecamente equilibrata — disporre i cilindri e i perni dell’albero motore in modo che le forze e le coppie si annullino naturalmente.
• Aggiungere alberi di equilibratura — alberi secondari con contrappesi che ruotano in direzione opposta all’albero motore, generando forze uguali e contrarie. Questi aumentano i costi e la complessità meccanica, ma possono neutralizzare completamente le modalità di vibrazione problematiche.

Tra tutte le architetture di motore comuni, solo due sono teoricamente perfettamente equilibrate: il sei cilindri in linea e il sei cilindri boxer. È precisamente per questo che BMW e Porsche hanno mantenuto così tenacemente queste configurazioni — e per cui altri costruttori hanno esitato ad abbandonarle nonostante i problemi di ingombro.

Equilibratura del Motore per Configurazione: Una Guida Pratica

Vediamo come si comportano le principali configurazioni di motore nella pratica reale in termini di vibrazioni ed equilibratura.

I motori bicilindrici in linea (con manovelle nella stessa direzione) si comportano in modo simile a un monocilindrico in termini di equilibrio — entrambi i pistoni salgono e scendono in fase. La russa Oka utilizzava due alberi di equilibratura controrotanti per gestire le forze inerziali del primo ordine, ma quelle del secondo ordine venivano lasciate senza controllo. Aggiungere altri due alberi di equilibratura sarebbe stato del tutto impraticabile su un’auto così piccola ed economica. Molti motori bicilindrici — come la Fiat 500 originale del 1957 e la indiana Tata Nano — hanno semplicemente funzionato senza alberi di equilibratura, affidandosi ai supporti elastici del motore per assorbire le vibrazioni. Economico, semplice e accettabile per le applicazioni di fascia bassa.

I motori bicilindrici con manovelle a 180° (pistoni in antifase) offrono un migliore equilibrio primario, ma possono raggiungere intervalli di accensione uniformi solo in configurazione a due tempi — come utilizzato sulle DKW dell’anteguerra e sui loro discendenti, la Trabant della Germania Orientale.

I motori V-twin sopravvivono oggi quasi esclusivamente sulle motociclette — Harley-Davidson e le sue imitatrici giapponesi ne sono gli esempi più evidenti. La NAMI-1 è praticamente l’unica automobile ad aver mai utilizzato questa architettura. I contrappesi sull’albero motore possono avvicinarla all’equilibrio completo, ma gli intervalli di accensione uniformi rimangono irraggiungibili.

I motori a tre cilindri sono meno equilibrati di un quattro cilindri in linea. Costruttori come Subaru e Daihatsu montano alberi di equilibratura di serie; la decisione di Opel di non includerlo nel tre cilindri Ecotec per la seconda generazione della Corsa ha risparmiato sui costi, ma è valsa all’auto una cattiva reputazione sulla stampa automobilistica tedesca dopo il debutto nel 1996 — venne descritta come “assolutamente impossibile da guidare in città con regimi variabili.”

I motori quattro cilindri in linea — la configurazione più diffusa al mondo — presentano una forza inerziale libera del secondo ordine che può essere neutralizzata solo da un albero di equilibratura che gira al doppio della velocità dell’albero motore. Per annullare la coppia risultante è necessario un secondo albero controrotante. Costoso, sì — ma Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat e i marchi del Gruppo Volkswagen hanno tutti adottato questa soluzione quando l’esigenza di raffinatezza lo richiedeva.

I motori boxer a quattro cilindri se la cavano leggermente meglio delle controparti in linea — rimane solo una coppia inerziale di secondo ordine, che tende a far imbarcare il motore attorno al suo asse verticale. Ciononostante, sia il motore raffreddato ad aria della Beetle sia le unità boxer Subaru hanno funzionato per decenni senza alberi di equilibratura.

I motori a cinque cilindri in linea hanno forze inerziali primarie compensate ma soffrono di una coppia torcente oscillante che percorre costantemente il basamento — richiedendo una struttura eccezionalmente rigida. Mercedes-Benz, Audi e Volvo hanno affrontato questo problema attraverso supporti motore raffinati e contrappesi (come nel 2.5 TFSI sovralimentato dell’Audi TT RS), mentre gli ingegneri Fiat si sono spinti oltre utilizzando un albero di equilibratura completo.

Una curiosità interessante: quasi tutti i motori a cinque cilindri sono essenzialmente motori a quattro cilindri con un cilindro aggiuntivo. Questo approccio modulare consente la condivisione di pistoni, bielle e componenti della distribuzione — solo il basamento, la testata e l’albero motore (con perni a 72° di intervallo) devono cambiare.

I motori V6 che hanno sostituito i sei cilindri in linea condividono le stesse caratteristiche di equilibrio di un tre cilindri — il che, per dirla chiaramente, non è l’ideale. Il primissimo V6 Mercedes-Benz (il M112, con tre valvole per cilindro) ha affrontato questo problema con un albero di equilibratura montato nella valle tra le bancate. Il sei cilindri da tre litri del Gruppo PSA ne ha collocato uno in una testata. Altri costruttori hanno optato per una sfalsatura accurata dei perni dell’albero motore — come sull’Audi V6 — per minimizzare le vibrazioni senza la complessità aggiuntiva. I motori V6 con un angolo di bancata di 90° aggiungono un ulteriore problema: intervalli di accensione intrinsecamente irregolari che un volano con contrappesi può solo parzialmente attenuare.

I motori V8 con angolo di bancata di 90° e perni dell’albero motore su due piani mutuamente perpendicolari sono molto ben equilibrati. Gli intervalli di accensione uniformi sono raggiungibili e rimangono solo due coppie residue — facilmente gestite con contrappesi sui perni terminali dell’albero motore. Questo è in gran parte il motivo per cui gli ingegneri americani hanno abbracciato con tanto entusiasmo il V8: semplicemente non tollerano le vibrazioni.

I motori V4 erano rari e oggi sono praticamente scomparsi dalle automobili. Il V4 europeo Ford (usato sulla Taunus, sulla Capri e sulla Saab 96) e il bizzarro V4 della Zaporozhets richiedevano entrambi un albero di equilibratura per le coppie inerziali del primo ordine. La compattezza e il costo erano i fattori determinanti — l’equilibrio era secondario.

I motori V10 condividono le stesse caratteristiche di equilibrio di un cinque cilindri in linea. Ciò non ha impedito ai progettisti dei motori di Formula 1, della Dodge Viper o del Dodge RAM di adottarli — quando si ha bisogno della potenza, si gestisce la vibrazione.

Quanto alle architetture più esotiche: il boxer a otto cilindri (come usato sulle Porsche 917 da corsa) è in pratica due boxer a quattro cilindri su un albero motore comune, mentre i motori V12 e boxer a dodici cilindri si riducono a due sei cilindri in linea — il che spiega la loro eccezionale fluidità di marcia.

VR6, VR5 e Motori W: Il Capolavoro di Ingombro di Volkswagen

Abbiamo accennato in precedenza ai motori a V ad angolo stretto come la Lancia Fulvia. Per decenni sono stati evitati — più difficili da equilibrare rispetto alle configurazioni a 60° o 90°, con vantaggi in termini di ingombro che non sembravano valere la pena. Poi le priorità sono cambiate.

Due sviluppi hanno cambiato le carte in tavola:

• I supporti motore idraulici sono diventati ampiamente disponibili, riducendo drasticamente la trasmissione delle vibrazioni indipendentemente dall’equilibrio teorico del motore.
• Lo spazio nel vano motore è diventato sempre più scarso, rendendo la compattezza un requisito prezioso. Chi avrebbe mai immaginato una berlina compatta con un motore sei cilindri da 2,8 litri nascosto sotto il cofano? Volkswagen l’ha resa realtà.

Il Volkswagen VR6 — dove “VR” sta per V-Reihen (V-in linea) — porta il concetto ad angolo stretto oltre quanto la Lancia abbia mai osato, utilizzando un angolo di soli 15° tra le bancate. Il risultato è così compatto da funzionare di fatto come un motore in linea sfalsato e, fatto notevole, utilizza una singola testata per entrambe le bancate. Un motore sei cilindri da 2,8 litri che si inserisce dove un V6 convenzionale non entrerebbe — debuttato sulla terza generazione della Volkswagen Golf.

Da lì, gli ingegneri Volkswagen hanno sviluppato ulteriormente il concetto:

• Il VR5 è arrivato come VR6 con un cilindro in meno.
• Il W8 ha combinato due unità VR accorciate (quattro cilindri ciascuna) su un unico albero motore — montato sulla berlina Passat di punta.
• Il W12 ha debuttato nel 1998 sul concept W12 Roadster: due motori VR6 accoppiati a un angolo di 72° su un unico albero motore.
• Il W16 — con quattro turbocompressori — spinge la Bugatti Veyron fino a 431 km/h, rappresentando l’applicazione più estrema di questa architettura in produzione di serie.

Perché queste architetture non esistevano prima? La progettazione assistita da computer le ha rese possibili. Ottimizzare l’angolo di bancata, le posizioni dei perni dell’albero motore, l’ordine di accensione e le caratteristiche di equilibrio su geometrie così complesse sarebbe stato praticamente impossibile senza la potenza di calcolo disponibile a partire dagli anni Novanta. Il solo albero motore di un W12 è un incubo per qualsiasi fresatore — il tipo di componente che ha senso solo quando un computer ha verificato ogni tolleranza.

Cosa Conta Davvero nella Progettazione Reale dei Motori

Se c’è un’unica conclusione da trarre da tutto ciò, è che l’equilibrio teorico è raramente il fattore decisivo quando un ingegnere sceglie un’architettura di motore. Le vere priorità sono:

• Ingombro — entra nel vano motore?
• Peso e densità di potenza — qual è il rapporto migliore per l’applicazione?
• Costo di produzione — può condividere componenti con altri modelli della gamma?
• Modularità — sempre più spesso i costruttori sviluppano intere famiglie di motori da un’architettura comune di pistone e alesaggio, dai motori a tre cilindri per vetture economiche fino ai dodici cilindri per le ammiraglia

L’attuale gamma di motori Mercedes-Benz è un esempio da manuale dell’approccio modulare: un’architettura condivisa supporta motori con potenze e numero di cilindri molto diversi tra loro.

E per quanto riguarda le vibrazioni — vale la pena ricordare che equilibrio teorico ed equilibrio reale sono due cose molto diverse. Anche un sei cilindri in linea perfettamente equilibrato vibrerà se il suo gruppo albero motore non è bilanciato correttamente o se i suoi pistoni e le sue bielle variano sensibilmente in peso. Le tolleranze di produzione reali e la deformazione dei componenti sotto carico fanno sì che nessun motore sia mai in pratica altrettanto fluido come le equazioni suggerirebbero. Ecco perché la progettazione dei supporti motore — il modo in cui il gruppo propulsore viene isolato dal resto dell’automobile — è importante quanto la configurazione stessa. A volte anche di più.

Questa è una traduzione. Puoi leggere l’originale qui: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html