Tecnica: il rapporto di compressione

Come tutti gli appassionati ben sanno, tra le quattro fasi del ciclo di funzionamento dei motori (sia a benzina che diesel) vi è quella di compressione. Grazie ad essa la pressione e la temperatura dell’aria (o della miscela aria-carburante) presente nel cilindro vengono portate a valori notevolmente superiori a quelli che avevano alla fine della fase di aspirazione. Durante la corsa di compressione il pistone sale verso il punto morto superiore (PMS) e lo spazio a disposizione dell’aria diminuisce, fino a ridursi a quello della sola camera di combustione. Il rapporto tra il massimo e il minimo volume a disposizione della massa gassosa, ovvero tra lo spazio interno del cilindro quando il pistone è rispettivamente al punto morto inferiore (PMI) e al PMS, costituisce il rapporto di compressione del motore. Si tratta quindi del rapporto tra la cilindrata unitaria (volume generato dal pistone nel suo movimento da un punto morto all’altro) più la capacità della camera di combustione e il volume di quest’ultima soltanto.

Il riscaldamento subito dall’aria (o dalla miscela aria-carburante) al termine della corsa è legato a tale rapporto, e lo stesso accade per la pressione. Nei motori diesel si adottano rapporti di compressione molto elevati proprio perché in questo modo viene raggiunta una temperatura tale da dar luogo alla accensione spontanea del gasolio.

Al crescere del rapporto di compressione aumenta il rendimento termico del motore. È perciò possibile ottenere potenze maggiori, ferma restando la cilindrata. Questo spiega perché, quando l’obiettivo è quello di ottenere prestazioni elevate, nei motori a ciclo Otto aspirati vengano invariabilmente adottati rapporti di compressione molto alti. Nei motori sovralimentati, invece, per incrementare le prestazioni si aumenta la pressione di alimentazione. Un rendimento termico più alto significa che a parità di potenza erogata il consumo di carburante è inferiore. Per questa ragione pure nei motori a ciclo Otto di serie è vantaggioso impiegare rapporti di compressione elevati, anche se si tratta di modelli destinati a vetture di prestazioni contenute.

Pure la pressione e la temperatura che vengono raggiunte durante la combustione sono legate al rapporto di compressione. Quando esse superano determinati valori, nei motori a ciclo Otto (cioè ad accensione per scintilla) si incappa invariabilmente nella detonazione, combustione di tipo anomalo le cui conseguenze possono essere addirittura deleterie per l’integrità di componenti come i pistoni. Quella che si verifica è una accensione spontanea e repentina della massa di miscela aria-carburante non ancora raggiunta dal fronte di fiamma che, partito dalla candela, sta attraversando la camera. Questa combustione di tipo quasi esplosivo dà luogo alla formazione di onde di pressione di notevole intensità che viaggiano a velocità elevatissima andando a urtare contro le pareti metalliche e rimbalzando contro di esse. In certe condizioni di funzionamento ciò può dar luogo a una tipica rumorosità nota come battito in testa.

È proprio l’insorgere della detonazione che limita il massimo rapporto di compressione impiegabile nei motori a ciclo Otto. Su di esso hanno una sensibile influenza la geometria e le dimensioni della camera di combustione, la posizione della candela e l’intensità della turbolenza impartita alla massa gassosa.

Se in un dato motore, che prima funzionava correttamente, si verifica la detonazione, le cause possono essere fondamentalmente tre. La prima è l’impiego di un carburante avente un numero di ottano troppo basso per le esigenze di quel determinato motore. La seconda è un anticipo di accensione eccessivo. In passato ciò avveniva quando si sbagliava la regolazione, intervenendo sullo spinterogeno. Con le accensioni elettroniche ciò non è possibile, ma non è detto che tutti i dispositivi (in questo caso si tratta delle centraline) funzionino in eterno in maniera impeccabile, e lo stesso vale per i sensori ad essi collegati. La terza causa è un rapporto di compressione troppo elevato. Quello adottato dal costruttore è invariabilmente OK, ma per quanto riguarda i preparatori… A queste tre cause, se il motore è dotato di un compressore, si aggiunge una pressione di alimentazione troppo elevata.

Dunque, è chiaro per quale motivo nei motori moderni si adottano rapporti di compressione molto alti, assai prossimi al limite della detonazione. Per salvaguardare la loro integrità si impiegano i sensori di detonazione, che avvertono la centralina in caso di detonazione incipiente (ovvero se la combustione inizia ad “irruvidirsi”). Ciò può avvenire, ad esempio, se si è fatto rifornimento con una benzina avente caratteristiche non adatte, o in caso di surriscaldamento del motore. La centralina provvede allora a ritardare leggermente l’accensione. Le prestazioni diminuiscono lievemente ma il rischio che si possa verificare la detonazione è scongiurato. Se il motore è sovralimentato, in alcuni casi la centralina può intervenire sulla wastegate in modo da ridurre leggermente la pressione di alimentazione.