Sotto il cilindro…

Tra i parametri fondamentali da tenere in considerazione quando si elabora un motore 2 tempi c’è il volume del carter pompa: ecco come si calcola e i parametri da tenere in considerazione per essere sicuri di aver preso la giusta strada…

Un carter pompa di un motore scooter Yamaha 5BM: gli scivoli tra sacche travaso e zona pacco migliorano molto il passaggio di gas freschi dalla valvola lamellare ai travasi in fase di lavaggio, ma varia anche molto il rapporto di compressione primario. Misurandolo, di volta in volta, e analizzando le variazioni prestazionali si può capire di quanto variare questo importante parametro.

Nella conformazione e nel funzionamento del carter pompa, ovvero quella parte del motore 2 tempi racchiusa al di sotto del pistone, si sono susseguite storicamente due forme di pensiero: una prima dell’avvento della marmitta ad espansione e una dopo questa straordinaria applicazione, che ha permesso a questo propulsore di oltrepassare dapprima la soglia dei 200 CV/litro a cavallo degli anni ’60 e oltrepassare quella dei 430 CV/litro ai nostri giorni.
Anche in questo caso è stato il team MZ, capitanato dal leggendario tecnico Walter Kaaden, a scoprire le relazioni tra i parametri della marmitta ad espansione e il volume del carter pompa nei primi anni ‘60; successivamente furono i tecnici Yamaha a lavorare moltissimo su questo importante parametro.
Il grande vantaggio assicurato dalla marmitta ad espansione con conformazione cono/controcono è stato quello di garantire la possibilità di creare una forte depressione a valle della luce di scarico nel momento in cui inizia la fase di espulsione dei gas combusti, di fungere al contempo da serbatoio momentaneo di parte dei gas freschi fuoriusciti dal cilindro durante la fase di lavaggio e di riuscire a rimandare nel cilindro gran parte di questi gas freschi momentaneamente immagazzinati in essa nella fase di risalita del pistone verso il PMS, generando così una sorta di sovralimentazione ad onde di pressione fasata col cilindro. Accordando i fenomeni pulsatori delle onde che si propagano nello scarico ad espansione con la fasatura delle luci, è stato possibile incrementare la quantità di gas freschi intrappolati all’interno del cilindro a un determinato regime di rotazione, garantendo un sostanzioso aumento del rendimento volumetrico e, di conseguenza, della potenza massima erogata.
In sostanza una marmitta ad espansione ben accordata funziona in un 2 tempi come un turbo in un 4 tempi: fa entrare nel cilindro più miscela aria/benzina di quanta ne sarebbe potuta entrare sfruttando soltanto la pressione esercitata dal movimento del pistone quando questo comprime i gas all’interno del carter pompa e quando li risucchia dal carburatore.
Nei motori 2 tempi giurassici, quelli precedenti all’avvento degli scarichi ad espansione, per ottimizzare il riempimento del cilindro c’era una sola strada da percorrere: aumentare la pressione nel carter pompa riducendo al massimo il volume dello stesso. Su certi motori non era raro trovare addirittura 4 sporgenze all’interno del carter che andavano sotto il cielo del pistone quando esso scendeva verso il punto morto inferiore. Quando iniziai a lavorare sui motori scooter, giuro che c’erano grandi preparatori “storici” che ancora parlavano di “spazi nocivi” del carter, il che la dice lunga perché i loro motori non andavano come ai tempi delle Lambretta o Vespa…
Con l’avvento delle marmitte ad espansione, invece, il carter è diventato una parte del serbatoio di raccolta dei gas freschi, le cui dimensioni devono essere sufficienti a contenere il volume di gas “richiesto” dal sistema cilindro/carter/marmitta.

Con l’espansione il carter “cresce”…
Tutti i tecnici più esperti nella preparazione di motori sapranno benissimo che un carter con un volume piuttosto ridotto garantirà, in linea di massima, una migliore risposta ai bassi regimi, ma tenderà ad essere meno generoso agli alti regimi.
Vediamo perché.
Dopo la combustione i gas iniziano ad espandersi nel cilindro generando un aumento di pressione sul cielo del pistone. Questa pressione spinge il pistone dal Punto Morto Superiore verso il Punto Morto Inferiore.
Nel momento in cui si apre la luce di scarico, si genera un brusco calo di pressione all’interno del cilindro e i gas combusti iniziano a defluire all’interno della marmitta. Dal momento in cui si apre lo scarico al momento in cui si aprono i travasi si genera una depressione all’interno del cilindro. L’onda di rarefazione, amplificata dal tratto divergente dell’espansione, si propaga dal cilindro ai canali di travaso per giungere al carter e, da questi, all’aspirazione (valvola lamellare, disco rotante, piston port che sia) e fino al boccaglio del carburatore, tanto che i gas freschi vengono letteralmente risucchiati nel cilindro e in parte della marmitta ad espansione a prescindere dalla pressione che si crea nel carter quando scende il pistone.
La fase di travaso avviene così grazie alla forte depressione generata dalla marmitta ad espansione (a patto che sia stata ben accordata alle caratteristiche del nostro cilindro) più che alla pressione generata dal pistone in fase discendente, ed è per questo motivo che, con una buona marmitta, il carter non deve più essere supercompresso per garantire un buon riempimento del cilindro e un buon lavaggio come quando le marmitte erano dei semplici tubi tondi. Il carter deve invece avere una volumetria e una conformazione tale da garantire il riempimento ottimale del cilindro al regime di rotazione che più ci interessa.
I famosi scivoli di comunicazione tra zona pacco lamellare e sacche di travaso (o in alcuni casi con gli stessi travasi, come nel motore Rotax Max) servono proprio a facilitare il passaggio di gas freschi dalla valvola lamellare ai travasi in questa fase di “risucchio” generata dalla marmitta ad espansione.

Il rapporto di compressione primario: come si misura
Il volume del carter pompa è strettamente legato a una serie di parametri, quali la cilindrata, diffusore del carburatore, dimensionamento e accordatura della marmitta ad espansione, tipologia di impiego del motore (piste lente o veloci).
Il parametro utilizzato per indicare un ordine di grandezze del carter pompa è il cosiddetto “rapporto di compressione primario”, che nulla ha a che fare con quello della camera di scoppio…
In sostanza il rapporto di compressione primario è dato dal rapporto tra il volume del carter pompa con il pistone al PMI e il volume del carter pompa con il pistone al PMS.
Chiamando V2 il volume del carter con il pistone al PMI e V1 il volume del carter con il pistone al PMS, potremo sintetizzare la formula nel seguente modo:

Rapporto di compressione primario = V1/v2

V1 si misura smontando la testa dal cilindro, fissando quest’ultimo al carter con dei dadi, sigillando il pacco lamellare con del nastro adesivo e riempiendo il carter con il pistone forato sul cielo al Punto Morto Superiore. Attraverso il foro praticato nel cielo del pistone si riempie il carter con benzina (accertandosi di non creare bolle d’aria che possano falsare la misurazione) impiegando una buretta graduata di precisione.
Il valore V2 è dato dal volume del carter, misurato come sopra, col pistone al punto morto inferiore.
L’importanza della misurazione del rapporto di compressione primario con questa formula sta nel fatto che solo così è possibile stabilire uno standard cui attenersi: se, ad esempio, si misura soltanto il volume del carter senza metterlo in relazione alla cilindrata, avremo un dato quasi inutile a meno di non realizzare sempre lo stesso tipo di modifica sullo stesso tipo di motore…
Invece, utilizzando come parametro il rapporto di compressione primario, si ha sempre un valore assoluto da utilizzare, a prescindere dalla tipologia di motore su cui si sta operando.

Diamo i numeri!
Partiamo da un presupposto: quando si sviluppa un carter motore da kart non c’è un numerino magico per il valore del rapporto di compressione primario, seguendo il quale otterrete il massimo delle prestazioni. É lo stesso discorso che si fa per lo scarico ad espansione, per il diagramma di distribuzione e per altri parametri fondamentali del motore.
Ogni propulsore è frutto di un equilibrio tra questi parametri: conoscere il valore del rapporto di compressione primario servirà per lo più a garantire la possibilità di replicare quel determinato parametro, per poter capire se è valida una modifica volta ad incrementarlo o a ridurlo.
É evidente che parleremo di motore con carter più compresso quanto il rapporto è più alto:
un valore di 1,20 sarà basso rispetto a un valore di 1,40, per essere chiari, così come un valore di 1,20 sarà di un carter relativamente scompresso, mentre 1,50 sarà il rapporto di compressione primario di un carter relativamente compresso.
Alla luce di questi fatti, proviamo a dare delle indicazioni.
Al giorno d’oggi il propulsore monocilindrico di una 125 da GP è pari a circa 1,20/1-1,25/1, una 125 cc da cross viaggia tra gli 1,40/1 e 1,47/1, un kart 125 può anche arrivare a 1,52/1: chi ha bisogno di coppia, riduce il volume (un kart deve accelerare e deve vincere l’attrito di 4 gommoni incollati a terra, un 125 GP fila su un doto di gomma su rettilinei da 1000 metri…). Di solito, i motori a disco rotante e aspirati in terza luce (o piston port) lavorano più compressi del lamellare, ma non è una legge assoluta (le leggi assolute le lasciamo volentieri a quelli che hanno capito tutto, che sanno tutto e che non mettono mai in gioco nulla di quello che sanno). Un carburatore con diffusore ampio richiede carter più voluminosi, ad esempio, altrimenti ci si ritrova con quella strana situazione in cui il motore va meglio a ¾ di gas che a piena apertura (non sapete quante volte mi è successo provando motori con carburatori enormi). Ad esempio, nel trofeo scooter 1993 Eurocilindro era molto competitiva con uno Zip dotato di un distanziale angolato sotto il pacco lamellare in abbinamento al carburatore da 25 mm, tanto che l’organizzatore del trofeo (che era anche concorrente…) lo mise fuori regola. Era merito dell’aumento del volume, del distanziamento del pacco lamellare dall’albero motore o del cambiamento del segnale scarico/lamelle (o tutti e 3 insieme?)? Nessuno lo sa.
Ma, nel nostro caso, molto influirà il tipo di pista su cui si corre (le tipologie sono talmente diverse che quasi tutti i preparatori più in voga dispongono di diverse versioni dei loro motori, uno con la coppia bassa per le piste più lente e uno con la coppia alta per le piste più veloci), lo stile di guida del pilota e, soprattutto, la categoria in cui si corre e le limitazioni a livello di carburatore, scarico e gruppo termico (distribuzione e rapporto di compressione) imposte dal regolamento.

Il pacco lamellare Eurocilindro per motori Piaggio realizzato nel 1993. Con questo kit Eurocilindro rischiò di vincere il Trofeo Nazionale Scooter, prima che fosse messo fuori regola dall’organizzatore. Funzionava per il volume in più, per la maggiore efficienza del pacco o per il flusso meglio indirizzato? Non lo sa nessuno…

Il problema delle interazioni
Il problema più grande con cui ci si scontra sempre quando si effettuano prove sulla volumetria del carter è l’interazione di più parametri.
Di solito si procede a variare il volume del carter pompa essenzialmente in 3 modi: montando una biella lunga, distanziando il pacco lamellare dal piano carter, barenando la camera di manovella o creando scivoli dalle sacche di travaso alla zona pacco lamellare.
Purtroppo quando si scomprime un carter pompa nei primi 2 modi si mettono in gioco una serie di parametri aggiuntivi, in grado di non farci capire se e quanto si è tratto beneficio dalla modifica del rapporto di compressione primario o da altri fattori contingenti.
Ad esempio, montando una biella con maggiore interasse, si ottiene sicuramente una riduzione del rapporto di compressione primario, ma al contempo si varia l’angolo di spinta del pistone sulla canna, si può incrementare il valore dell’anticipo di accensione (con una biella più lunga si può lavorare con anticipi più spinti rispetto a una biella corta), cambia la fasatura della distribuzione e si ha un peso maggiore della biella stessa.
Quindi, in questi due casi, la variazione prestazionale è data più dal cambiamento dei parametri del rapporto di compressione primario o da quelli delle interazioni del pacco lamellare o della biella?
Per evitare questo problema, e per evitare di sbudellare decine di carter prima di trovare il bandolo della matassa, un buon metodo è quello di installare nel carter pompa un raccordo filettato, ben sigillato, cui attaccare un tubo in gomma anch’esso sigillato. Variando la lunghezza del tubo in gomma potrete capire se, e di quanto, il carter deve essere ampliato per poter offrire le migliori performances per le particolari caratteristiche di erogazione e di utilizzo che state cercando.
Nella classe KZ, ad esempio, la “moda” lanciata da alcuni preparatori di incassare il pacco lamellare in modo da avvicinarlo all’albero motore ha diversi scopi: in alcuni motori la riduzione del volume della camera di manovella garantisce al motore un maggiore tiro ai bassi regimi, mentre in altri tende a migliorare l’interazione tra pacco lamellare e, a sua volta, le interazioni con cilindro e scarico.

Albero schermato o aperto? Esistono diverse scuole di pensiero tra chi preferisce un carter con albero schermato e albero aperto. Anche in questo caso, conta più il volume o la fluidodinamica? Io credo che nessuno possa dire come stanno le cose. Uno prova: se va meglio bene, altrimenti torna indietro…

Valori tipici rapporto di compressione primario
Motore Honda GP 125 1,20-1,25
Motore cross Honda CR 125 1,40-1,47
Motore Pavesi kart 125 1,50