Bassi regimi o alti regimi? Leggere il carattere del motore

Alla domanda "basso o alto regime?" non esiste una risposta universale; quale dei due sia "migliore" dipende dall'intervallo di regime in cui la curva di coppia del motore raggiunge il picco e dallo scopo d'uso del veicolo. In sintesi: un motore che produce coppia a basso regime è comodo ed economico nell'uso quotidiano, mentre un motore che produce potenza ad alto regime è orientato alle prestazioni. In questo articolo esaminiamo passo dopo passo il rapporto tra fascia di regime e potenza e coppia, i fattori meccanici che determinano il carattere del motore e come leggere questi valori nelle schede tecniche.

sotto il picco di potenza.

Cos'è la fascia di potenza e perché determina il carattere del motore? La fascia di potenza è l'intervallo di regime (RPM) in cui un motore a combustione interna può produrre la sua potenza massima. Questo intervallo è di solito una porzione inferiore alla metà dell'arco di regime totale del motore e definisce la zona in cui si ottiene la massima accelerazione. Quella che chiamiamo "carattere" di un motore dipende in gran parte da dove questa fascia inizia e finisce: un motore con la fascia collocata a regimi bassi risulta pieno a bassi giri, mentre un motore con la fascia spostata in alto si risveglia man mano che il regime sale.

In un'automobile stradale a benzina la fascia di potenza inizia tipicamente a regimi medi, intorno a 4.000 RPM - dove viene prodotta anche la coppia massima - e termina sotto la zona rossa, dopo che il motore ha raggiunto la potenza massima. Sul fronte diesel il quadro è molto diverso: i motori diesel di automobili e pick-up sviluppano di solito la coppia massima sotto i 2.000 RPM , mentre il picco di potenza lo raggiungono a circa 4.000 RPM o al di sotto. Lo stesso concetto di "fascia di potenza" corrisponde quindi, nei due diversi tipi di carburante, a due zone di regime molto distanti tra loro.

Qui è necessario fare una piccola ma importante distinzione tecnica: coppia e regime sono grandezze misurate sull'albero motore; la potenza invece è un valore calcolato. Con unità metriche si trova con la formula kW = Nm × RPM / 9549 . Questa formula è il cuore della matematica alla base della discussione sul carattere: un motore che riesce a mantenere la stessa coppia a regimi più alti produce più potenza.

Cosa significa la curva di coppia nella guida quotidiana?

In un tipico motore di autoveicolo la coppia è bassa al regime di minimo, raggiunge il valore di picco nell'intervallo 1.500-6.500 RPM e scende in modo netto verso la zona rossa. La ragione fisica è chiara: sotto il picco di coppia la velocità dell'aria aspirata e quindi la miscela aria-carburante non sono ideali; sopra, l'aumento dell'attrito, i limiti della fasatura delle valvole, la durata della combustione che si allunga e un flusso di aspirazione insufficiente limitano la coppia.

Nell'uso quotidiano la coppia ha un significato concreto: l'abbondanza di coppia ai bassi regimi rende facile muovere il veicolo senza dover salire di giri. L'accelerazione da fermo, la forza di trazione in salita e il trasporto di carichi sono il territorio della coppia; la velocità massima e le prestazioni sostenute sono il territorio della potenza. Per questo nell'uso urbano un picco di coppia ampio e basso spesso si nota più di un picco di potenza elevato.

La forma della curva è importante almeno quanto il valore di picco. Una curva di coppia piatta e ampia significa potenza costante su un ampio intervallo di giri; una curva con un picco netto invece imprigiona la potenza del motore in un intervallo ristretto. Sul circuito il vantaggio di una curva di coppia piatta è chiaro: all'uscita della curva si ottiene una forza di trazione simile indipendentemente dal regime a cui ci si trova. I motori con una fascia di potenza ristretta necessitano di più marce con rapporti ravvicinati per compensare tale strettezza - ed è esattamente questo il riassunto funzionale del cambio CVT: liberare il motore dalla prigionia della fascia ristretta e mantenerlo al regime ottimale.

Corsa lunga o corsa corta: come cambia il carattere del motore in base alla corsa?

A parità di cilindrata, il rapporto tra l'alesaggio del cilindro (bore) e la corsa del pistone (stroke) è la variabile meccanica che influenza maggiormente la posizione della fascia di regimi. In un motore a corsa lunga l'alesaggio è piccolo e il pistone percorre una distanza maggiore per lo stesso volume; ciò significa tensioni di inerzia più elevate nelle parti in movimento. In cambio si ottiene naturalmente una coppia ai bassi regimi piena e generosa.

Il motore a corsa corta fa il compromesso opposto: poiché il pistone percorre una distanza minore per ogni giro, la velocità del pistone si riduce e il motore consente limiti di regime più alti. Questa è la logica per cui nelle competizioni si preferiscono alesaggi ampi e corse corte - il limitatore di giri si alza facilmente. La corsa corta ha però un prezzo: la camera di combustione ampia e piatta rende difficile una buona formazione della miscela. Per questo corsa lunga = coppia, corsa corta = potenza è, come sintesi, un solido punto di partenza dal punto di vista ingegneristico.

Gli esempi che illustrano questo principio nel modo più evidente sono ad alti regimi: oltre i 14.000 RPM i motori di motociclette e di Formula 1 che salgono a tali regimi li raggiungono grazie a pistoni e bielle leggeri e alla corsa corta. Man mano che la cilindrata aumenta e soprattutto che la corsa si allunga, la fascia di potenza si sposta verso regimi più bassi. Il ruolo del numero di cilindri in questo quadro è invece a parte: il numero di cilindri non influisce sulla quantità di coppia, ma sulla fluidità di trasmissione della potenza.

Perché i motori diesel producono coppia ai bassi regimi?

Dietro il carattere diesel ci sono tre fattori principali: la lunghezza della corsa, la pressione del turbo e la pressione media efficace. I motori diesel hanno generalmente una corsa del pistone più lunga; la corsa lunga fornisce maggiore leva all'albero motore e si traduce in più coppia ai bassi regimi. Anche gli alti rapporti di compressione e la grande pressione di combustione applicata al cilindro alimentano questa erogazione di coppia.

La differenza del zona rossa deriva invece in gran parte dai limiti dell'atomizzazione del carburante. L'iniezione e la miscelazione del gasolio nel cilindro sono un processo più lento della combustione di una miscela preparata come la benzina; per questo le auto stradali diesel terminano tipicamente 4.500 giri/min mentre i motori a benzina 6.500–8.000 giri/min possono arrivare fino a tale intervallo. Il profilo di un tipico diesel stradale è in sintesi il seguente: coppia massima a 1.500–2.000 giri/min, potenza massima a 3.500–4.500 giri/min e una potenza in rapido calo sopra questi regimi.

Come si leggono i valori di potenza e coppia nei dati tecnici?

Le righe "coppia massima: X Nm @ Y giri/min" e "potenza massima: Z CV @ W giri/min" in un opuscolo sono un breve riassunto del carattere del motore. Osservate la differenza di regime tra i due numeri: la distanza tra i picchi di coppia e di potenza dà un'indicazione sull'ampiezza della banda di potenza del motore. È noto che il picco di coppia si verifica generalmente 1.000–2.000 giri/min al di sotto del picco di potenza; se i due picchi sono vicini la banda è stretta, se l'intervallo di regime tra loro è ampio il motore offre una maggiore flessibilità d'uso.

Anche il cambio legge la curva

Leggere da sola la curva di coppia è incompleto, perché il cambio svolge un ruolo di moltiplicatore in questa equazione. Le marce basse (circa 3,5:1 moltiplicano meccanicamente la coppia alla partenza; le marce overdrive (circa 0,8–0,9:1 consentono una marcia a bassi regimi in autostrada. Anche l'evoluzione storica lo conferma: i cambi automatici a due marce degli anni '50 richiedevano dai motori un'ampia banda di potenza; i cambi a 8–9 marce di oggi permettono invece di tarare il motore in un intervallo stretto ed efficiente. Per questo le bande che oggi appaiono ristrette nei motori moderni, unite ai cambi a molte marce, non si traducono in una perdita di flessibilità nella guida quotidiana.

Significato della riga della zona rossa

La zona rossa è il regime massimo al quale il motore può funzionare senza danneggiare i componenti; dipende da fattori come la lunghezza della corsa, la massa dei componenti e l'equilibratura. Se si considera che il record nelle auto stradali a pistoni si collochi a 12.100 giri/min si capisce quanto sia prudentemente progettata la banda 6.000–7.000 giri/min di una normale auto stradale. Una zona rossa bassa da sola non significa basse prestazioni; i limiti dei vecchi progetti OHV, scesi fino a 4.800 giri/min a causa del galleggiamento delle valvole, non hanno mai rappresentato un limite nei motori di grande cilindrata ad alta coppia. Entrare nella zona rossa non significa guasto immediato ma aumenta il rischio di danni - e non è un caso che i costruttori collocano generalmente la zona rossa appena sopra il punto in cui la potenza inizia a calare.

Come influenzano il regime del motore turbo e aspirazione atmosferica?

La sovralimentazione consente di ottenere più potenza dalla stessa cilindrata; ma l'aspetto davvero interessante è il suo effetto sulla curva di coppia. Nei motori turbo e sovralimentati meccanicamente, il sistema di regolazione della pressione di aspirazione limita la coppia a un valore quasi costante lungo tutto l'arco di regimi, sia per ridurre lo stress del motore sia per garantire un comportamento costante. Il risultato è un altopiano di coppia, raro nei motori atmosferici, ottenuto senza sacrificare la potenza massima.

Dalla parte dei motori atmosferici (NA) c'è invece un diverso compromesso: design più semplice, meno pezzi soggetti a guasti, in genere maggiore longevità, risposta istantanea dell'acceleratore e una curva di potenza lineare. I motori NA tendono a produrre più potenza al regime massimo, ma le loro curve di coppia non sono così piatte e, nei motori più piccoli, la cilindrata viene spesso aumentata per compensare la mancanza di sovralimentazione. Il prezzo della sovralimentazione è invece la complessità e l'arco di potenza ridotto dovuto al ritardo (turbo lag) presente nella maggior parte dei motori turbo. C'è poi il fattore altitudine: i motori sovralimentati meccanicamente e i turbo rendono meglio dei motori atmosferici agli alti livelli, dove la densità dell'aria è bassa, mentre i motori NA sono più sensibili all'altitudine. La discussione tra turbo e atmosferico si protrae nel tempo perché entrambe le posizioni hanno punti validi: la domanda giusta non è "quale dei due è migliore", ma "quale compromesso fa per te".

Quale equilibrio cercare quando si sceglie il carattere del motore?

Rispondere con una sola risposta alla domanda "è più importante la potenza o la coppia" significa leggere male la questione stessa. La ripartenza e la trazione sono territorio della coppia, mentre la velocità massima e le prestazioni sostenute sono territorio della potenza; dal punto di vista della guida quotidiana e del consumo di carburante, il consiglio è l'equilibrio tra le due. Come regola pratica: più basso è il regime di coppia massima, più confortevole è usare l'auto in città; più alto è il regime di potenza massima, più il motore è tarato per le prestazioni.

Quando guardate la riga tecnica dei prezzi, ormai potete leggere quattro cose insieme: il regime di coppia massima, il regime di potenza massima, la zona rossa e la vicinanza reciproca di questi tre. Picchi vicini e un'elevata zona rossa raccontano di un motore entusiasmante ma sensibile al cambio; una coppia massima precoce e un ampio altopiano indicano un carattere rilassato e flessibile. Il carattere del motore non è casuale: è il risultato di decisioni ingegneristiche consapevoli su corsa, cilindrata, alimentazione e trasmissione; quando avrete imparato a leggerlo, ogni brochure tecnica inizierà a raccontarvi come si guida quel motore.

Fonti

• Power band
• Power vs Torque in Engine Performance Explained
• Horsepower vs. Torque: Which Is More Important?
• Long Stroke Vs Short Stroke Engines: Differences Explained
• Long- Vs Short-Stroke Engines: What Are The Differences?
• Why Diesels Make So Much Torque
• Understanding Torque And Horsepower – with Tractive Force
• Maximum Acceleration: Peak Power Vs Peak Torque
• Engine Power Delivery - What is Torque Vs. Horsepower
• Turbos, Superchargers and Naturally Aspirated Engines