#Coppia motrice sui motori a Benzina e Turbo Benzina

13 / aprile 2022
Coppia motrice sui motori a Benzina e Turbo Benzina

Seletron Performance

Pressione turbo e coppia motrice sui motori a benzina

 

Ecco per te un altro articolo tecnico che può soddisfare alcune curiosità sulla questione della coppia motrice sui motori aspirati e su quelli turbo. Una premessa: se tu se uno di quelli che ha vissuto le auto sportive dei primi anni '90 non perdere questo articolo perché citeremo anche auto spesso sconosciute ai nostri lettori della Generazione Y o Millennial. Se tu (come chi scrive) hai qualche annetto in più, continua a leggere!

 

La potenza, come spiegato in altri articoli tecnici, è un prodotto della coppia motrice e della velocità di rotazione del motore (regime), ma la “spinta” vera e propria la fornisce il momento torcente, ovvero la coppia motrice. Vediamo da cosa dipende questo valore (espresso in Nm mentre in passato in Kgm, ovvero chilogrammi su metro) sui motori aspirati a ciclo Otto e poi sulle controparti sovralimentate con turbocompressore.

 

Da dove iniziamo? Iniziamo da alcuni motori aspirati con sistema di iniezione indiretta di benzina. Per farlo, citiamo alcune auto di diversi anni fa con cilindrata di 2 litri e ne analizziamo i valori di coppia massima cercando di spiegarne il valore.

 

Ecco alcuni esempi di auto con potenza allineata e valori di coppia altrettanto simili.

Opel Calibra 2000 16 valvole, potenza 150 cavalli e coppia massima 196Nm

Ford Escort RS 2000 16 valvole, potenza 150 cavalli e coppia massima 190Nm

Alfa Romeo 156 Twin Spark, 2000 16 valvole, potenza 155 cavalli e coppia massima 187Nm

Lancia K 2.0 20V, 5 cilindri, potenza 155 cavalli e coppia massima 186Nm

 

Abbiamo preso questi riferimenti per mostrare che in linea di massima, il valore di coppia motrice è molto simile nonostante alcune differenze tra questi motori; la 156 Twin Spark utilizza un sistema a doppia accensione (2 candele per cilindro) mentre la Lancia K in questione ha 5 cilindri e 20 valvole. Come puoi vedere, la coppia motrice di questi motori è addirittura inferiore agli altri due “classici” 4 cilindri 16 valvole. Per quale motivo?

 

Da cosa dipende la coppia motrice di un motore a benzina aspirato?

Se parliamo di motori di auto, parliamo esclusivamente di motori a 4 tempi. Il valore di coppia motrice dipende sostanzialmente dalla quantità di benzina che può essere bruciata. Parlando di motori a iniezione indiretta di benzina (come i 4 motori sopra citati) questi sono vincolati dal rapporto stechiometrico, valore di 14,7 come rapporto (in peso, non in volume) tra la massa di aria e la massa di benzina. Dovendo mantenere necessariamente un rapporto stechiometrico quasi perfetto (per motivi che non trattiamo in questo articolo), ne consegue che il valore di coppia motrice dipende da quanta aria è in grado di aspirare il motore.

 

Il numero dei cilindri, tralasciando alcuni aspetti secondari, non incide sul valore di coppia. Il primo elemento determinante è la cilindrata complessiva, a prescindere che il frazionamento sia a 4, 5 o più cilindri. Anche il sistema a doppia accensione, al di la di una ottimizzazione, non può incidere significativamente sul valore di coppia massima (infatti il motore Twin Spark citato, ha un valore addirittura inferiore rispetto agli altri due motori con sistema di accensione a singola candela).

 

Il numero delle valvole per cilindro invece, impatta sul valore di coppia massima. I motori detti “plurivalvole” (ovvero quelli che hanno più di una valvola per ogni funzione) consentono un maggiore riempimento del cilindro in fase di aspirazione e minori perdite di energia nella fase di scarico, questo grazie a sezioni maggiori nei passaggi tra i collettori di aspirazione ed il cilindro e tra questo ed i collettori di scarico. I motori portati come esempio, hanno tutti testate con 4 valvole per cilindro. In sintesi, il valore di coppia specifica di un motore aspirato a benzina con 4 valvole per cilindro si aggira sui 100Nm per litro di cilindrata. Particolari messe a punto del motore (collettori aspirazione, disegno delle valvole, fasatura, collettori di scarico ecc.) possono far variare questo valore ma in genere non si discosta dai 95 – 105Nm per litro.

 

Come spiegato in altri nostri articoli tecnici, questi valori di coppia motrice possono dare luogo a potenze molto diverse in base al regime di rotazione al quale il motore può erogare questa forza motrice. Un motore 2 litri sportivo in grado di fornire questi valori di coppia anche a regimi elevati può sviluppare potenze ben superiori ai 200 cavalli, (come ad esempio Honda con sistema V-Tech), quelle citate hanno tutte potenze di 150/155 cavalli.

 

 

Coppia motrice nei motori a benzina turbo.

 

Per capire le differenze, prendiamo anche alcuni dei motori citati poco fa in versione aspirata e li confrontiamo con i motori sovralimentati con turbocompressore. Prendiamo ora dei “miti” degli anni '90 per fare alcuni confronti.

 

Ford Escort Cosworth, monta una versione modificata dello stesso 2 litri prima citato; 4 cilindri in linea, 4 valvole per cilindro, turbocompressore single-scroll ed intercooler aria-aria. Potenza di circa 220 cv e coppia massima di 290Nm.

 

Alfa Romeo 155 Q4, 2000 4 cilindri in linea, 4 valvole per cilindro, turbocompressore single-scroll ed intercooler aria-aria, potenza circa 190 cv e coppia massima 297Nm.

 

Alfa Romeo 164 V6 TB, motore 2000 con 6 cilindri a V, turbocompressore single-scroll ed intercooler aria-aria, potenza 210cv e coppia massima di 282Nm.

 

Lancia Delta HF Evo 2, 2000 4 cilindri in linea, 4 valvole per cilindro, turbocompressore single-scroll ed intercooler aria-aria, potenza 215cv e coppia massima 314Nm.

 

Come puoi vedere da questi esempi, tutti i motori hanno potenze paragonabili (in quanto hanno regimi di rotazione non molto diversi tra loro) e valori di coppia massima paragonabili. A differenza della Alfa Romeo 164 V6 TB - che ha 6 cilindri ma solo 2 valvole per cilindro, quindi un valore di coppia leggermente inferiore – tutti questi motori hanno una coppia specifica di circa 140/150Nm per litro di cilindrata. Questo perché tutti i motori citati, dispongono di sistema di sovralimentazione con turbocompressore, il quale alimenta i cilindri con aria compressa, nello specifico, con pressione di sovralimentazione indicativamente di 1 bar (oltre alla pressione atmosferica).

 

Questa sovralimentazione, consente di introdurre nel motore di 2 litri di cilindrata, circa 3 litri di aria. I valori di coppia massima di questi motori infatti, sono confrontabili con quelli di motori aspirati plurivalvole con cilindrata di 3 litri. Ipoteticamente, se portassimo a 2 bar la pressione di sovralimentazione di questi motori, otterremmo un valore di coppia massima confrontabile con quello di un motore aspirato di 4 litri di cilindrata. Ovviamente ci sono altri fattori che intervengono al lato pratico, uno di questi – molto importante – è la temperatura dell'aria compressa immessa nei cilindri; con l'aumentare della temperatura (inevitabile conseguenza di compressione dell'aria) si riduce la densità di questa e quindi la sua carica di ossigeno, per questo motivo vengono utilizzati gli intercooler, scambiatore di calore che possono essere di tipo aria-aria o aria-acqua.

 

L'intercooler ha lo scopo di abbattere quanto più possibile la temperatura dell'aria che raggiunge i collettori di aspirazione, tanto più la temperatura dell'aria compressa sarà ridotta, tanto più questa sarà carica di ossigeno. La presenza di ossigeno è direttamente legata alla quantità di benzina che è possibile bruciare e quindi iniettare, valore a sua volta del tutto legato al valore del momento torcente (coppia).

 

 

Coppia motrice nei motori turbo con iniezione diretta di benzina.

 

A questo punto parliamo di qualche motore dei giorni nostri, nello specifico di motori a benzina con iniezione diretta e sovralimentazione con turbocompressore, prendiamone solo alcuni.

 

Audi 2000TFSI 211cv e 350Nm di coppia massima

Mercedes 2000 211cv e 350Nm di coppia massima

BMW 2000 258cv e 400Nm di coppia massima

 

Sono solo 3 esempi di motori con cilindrata di 2 litri, testata a 4 valvole per cilindro. Le principali differenze sono nella presenza di sistemi di iniezione diretta di benzina e sovralimentazione con turbocompressore di tipo Twin Scroll. L'iniezione diretta di benzina ha alcuni vantaggi, tra i quali la possibilità di far lavorare il motore (in certe condizioni) senza rispettare il rapporto stechiometrico (con carica stratificata) ed avere una maggiore precisione di iniezione. Il turbo Twin-scroll consente di ridurre notevolmente il regime minino al quale il turbo riesce a generare sovralimentazione ed a ridurne il ritardo di risposta. I risultati, unitamente ad una maggiore pressione di sovralimentazione rispetto ai motori citati nella prima parte dell'articolo e alla presenza di intercooler più efficaci (di tipo aria-acqua in alcuni casi) consentono di ottenere valori di coppia specifica fino a 200Nm per litro di cilindrata. Per fare un altro esempio, Mercedes impiega sulla A43 AMG un motore 2 litri turbo con pressione di sovralimentazione superiore ai 2 bar ed in grado di raggiungere la coppia specifica di ben 250Nm per litro di cilindrata (il calcolo è facile, la A43 AMG eroga 500Nm ed oltre 400cv di potenza massima).

 

Come vedi, la capacità di erogare coppia motrice sui motori a benzina aspirati è direttamente legata alla cilindrata del motore stesso, quando invece parliamo di motori sovralimentati, il valore di coppia dipende dalla pressione e dalla temperatura dell'aria inviata nei cilindri. Ripetiamo ancora una volta che la potenza invece, dipende dal regime di rotazione. Per capirci; un motore in grado di raggiungere regimi di rotazione non elevati potrebbe avere alto valore di coppia e potenza contenuta (un esempio ne sono i motori per autocarro e mezzi pesanti in genere), un motore con stesso valore di coppia ma in grado di ruotare a regimi più elevati potrebbe essere molto più potente.

 

Una comparazione che servirà da esempio molto chiaro; prendiamo due veicoli con 380cv, una Ferrari F355, che ha appunto questa potenza e che utilizza un motore V8 3500cc in grado di ruotare ad alti regimi, ed un autocarro Iveco che monta un grosso motore Diesel turbo con stessa potenza ma regimi di rotazione molto bassi. La Ferrari F355 ha un valore di coppia massima di 363Nm (vedi che il valore di coppia specifica è ancora una volta simile ai 100Nm per litro come nelle auto citate inizialmente come esempio?) mentre il motore di Iveco eroga una coppia massima enorme, ben 1800Nm! Ricordiamo che la potenza è la stessa, 380cv, nel primo caso erogati da un motore di “piccola” cilindrata aspirato che ruota a regimi elevati. Nel secondo caso, abbiamo un motore turbodiesel di grossa cilindrata che ruota a regimi molto più bassi. Il momento torcente è completamente diverso, la potenza (frutto del prodotto della coppia e della velocità di rotazione) è identica!

 

Ora ti è un pochino più chiaro il tutto? Ti suggeriamo di leggere anche gli altri nostri articoli tecnici dove parliamo dei sistemi di iniezione, della elaborazione di motori, dei turbocompressori, degli intercooler e di tanto altro ancora!

 

Alla prossima!

line

Ti potrebbe interessare

Eliminare il turbo lag con il turbo-elettrico >>> LEGGI ORA

Come aumentare potenza e coppia dell'auto? >>> LEGGI ORA

Compare