I segreti del monocilindrico

I segreti del monocilindrico
I motori con un solo pistone: come sono fatti e perché. Vantaggi e svantaggi,
caratteristiche costruttive e scelte tecniche
di Alberto Dell'Orto
Il Ducati Supermono della metà degli anni Novanta, uno dei più sofisticati
monocilindrici di tutti i tempi, dotato di numerose soluzioni esclusive, tra cui
l'iniezione
Il motore monocilindrico ha avuto una parte molto importante nella storia della moto.
Moltissimi dei modelli più famosi, dagli albori a oggi, hanno avuto questo tipo di
frazionamento. I motivi principali che hanno contribuito, almeno all’inizio, alla sua
diffusione, sono facilmente identificabili nella sua semplicità costruttiva, nella facilità di
installazione in un telaio, nella possibilità di essere efficacemente raffreddati ad aria. Da
non sottovalutare l’aspetto delle dimensioni dei componenti: soprattutto in epoche in
cui non erano pensabili grandi cilindrate e potenze su una motocicletta, era più
conveniente produrre un unico cilindrico simile a quello di un automobile piuttosto che
impegnarsi in un’opera di miniaturizzazione dall’esito incerto, specie con macchine
utensili, materiali e lubrificanti dalle prestazioni molto lontane da quelle a cui oggi
facciamo riferimento. In più un peso complessivo del motore, inferiore a quello di un
frazionato di pari cilindrata, stressava meno telai e pneumatici, e il freno motore più
efficace aiutava le decelerazioni.
L'Airone della Moto Guzzi adottava un 250 ad aste e bilancieri di schema
complessivo molto simile al 500 del Falcone Le peculiarità del cilindro orizzontale
e del volano esterno saranno riprese anche sulle vittoriose macchine da GP negli
anni '40 e '50
Nelle cilindrate più elevate, il monocilindrico a quattro tempi ha vissuto una lunga storia
di predominio fino a tutti gli anni Sessanta, quando una bicilindrica era un lusso per
pochi e tre o più cilindri si vedevano solo nelle corse. Poi, un momento di declino
dovuto alla corsa al frazionamento inaugurato dai giapponesi, che poi daranno una
nuova giovinezza ai mono, a partire dalla Yamaha XT500 del 1976. Una sfida subito
raccolta dalla Honda (XL500S, la prima con quattro valvole, e l’unica con carter separati
da un piano orizzontale) e dalla Suzuki (SP 370, seguita dalla DR 400) e poi sviluppata
con nuovi motori (la Yamaha con l’XT 550, poi 600 -montato anche su una stradale
sportiva, la SRX-, infine 660 con cinque valvole e raffreddamento ad acqua; la Honda
con il motore XL 500/600, poi cresciuto fino ai 650 cc della Dominator; la Suzuki con il
DR 500 diventato anche 600 e 650, e poi i successivi -ma completamente nuovi- 750 e
800 "Big").
Il Kawasaki KLR è stato il primo a proporre di serie soluzioni come la
distribuzione bialbero e il raffreddamento a liquido
La Kawasaki è arrivata solo più tardi, con la KLR 570 bialbero raffreddata a liquido
(l’unica per qualche anno con queste caratteristiche) del 1984, mentre in Europa i primi
passi li ha fatti la Cagiva (con un 350 per l’Ala Rossa poi giunto fino a 600 cc), seguita
dalla Rotax (distribuzione a cinghia dentata) e dalle Case votate al fuoristrada come
Husqvarna e KTM. Singolare la genesi del mono Gilera, bialbero a cinghia dentata e
raffreddato a liquido, nato 350/500 per la Saturno Bialbero e poi cresciuto fino a 570 cc
per enduro anche molto specialistiche (come la RC) e la prima supermotard di serie, la
Nordwest.
( 03/10/2002 )
I vantaggi
Il KTM LC4, nato alla fine degli anni Ottanta e ancora sulla breccia. Notare la
compattezza e la semplicità, ancora oggi eccezionali: il basamento è derivato
direttamente dal 500 a due tempi della Casa
Ancora oggi molte categorie adottano motori monocilindrici: si tratta soprattutto di basse
cilindrate unitarie a due tempi (da 50 a 200 cc) o di motori a quattro tempi destinati a
muovere scooter (125 - 450 cc) o motociclette da fuoristrada (250 - 650 cc), dove i requisiti
del contenimento del peso e delle dimensioni sono essenziali, mentre le prestazioni
massime sono un aspetto di importanza tutto sommato relativa. Infatti in questi settori è
più importante ottenere un’erogazione della potenza dolce e gestibile e, nel caso delle
cilindrate più piccole, un ampio range di utilizzo, consumi ed emissioni contenuti. Tra i
pregi della scelta di una motorizzazione monocilindrica non ci sono, ovviamente, solo
questioni di ingombri e di peso. Non è da sottovalutare l’importanza del contenimento delle
spese di gestione: in un monocilindrico di solito il numero delle candele e dei litri d’olio da
sostituire è inferiore, così come il numero delle valvole da regolare, e non c’è quasi mai
bisogno di sincronizzare carburatori.
..
Un bel disegno degli organi interni del mono Yamaha della serie XT/TT/SRX. Sono
evidenti l'adamento dei condotti e la distribuzione monoalbero con bilancieri a
doppio braccio, utile per contenere gli ingombi in altezza della testata rispetto a una
più raffinata soluzione bialbero. In basso si distinguono chiaramente il filtro del
lubrificante e il contralbero di bilanciamento (dietro alla base del cilindro) e i
cuscinetti di banco a rotolamento
Non dimentichiamo, poi, l’economia di produzione: il costo di un motore dipende molto
più dal numero dei pezzi che dalla loro dimensione, quindi un piccolo raffronto tra un
"mono" e un "quattro" permette calcolare un risparmio di tre pistoni, nove segmenti, dodici
valvole (di solito), ventiquattro molle, dodici camme, tre bielle, tre perni di biella e tre perni
di banco, dodici bronzine, tre candele e almeno due carburatori e due collettori di scarico.
Di solito, poi, anche un silenziatore. Inoltre, l’albero motore può essere scomponibile e
montato su cuscinetti a rotolamento, che permettono la realizzazione di impianti di
lubrificazione decisamente più semplici. Da notare comunque, la diffusione anche in
questo settore delle bronzine (Gilera, BMW).
Gli svantaggi
Il Suzuki DR Big (che ha raggiunto la cilindrata eccezionale di 779 cc nella versione
800) è il campione di cubatura tra i mono moderni. L'alesagio ha raggiunto il valore
record di 105 mm, ma questo ha richiesto l'adozione di camere di una
fluidodinamica ad alta turbolenza e della doppia accensione per garantire i
necessari rendimenti. Oggi di certe cilindrate unitarie non si parla più. Notare il
sistema di equilibratura a doppio albero
Accanto ai pregi, questo tipo di frazionamento presenta una serie di svantaggi che ne
limitano la diffusione ad altri segmenti del mercato motociclistico. Nei motori a quattro
tempi la regolarità di rotazione dell’albero motore è minata dal ciclo stesso di
funzionamento: l’albero tende ad accelerare, sotto la spinta del pistone e della biella,
durante la fase di espansione, cioè quella in cui i gas incendiati aumentano di
temperatura e volume spingendo il pistone lontano dalla camera di combustione, una volta
ogni due giri. In tutte le fasi successive (scarico dei gas combusti, aspirazione della carica
fresca, compressione dei gas da bruciare) il sistema non produce potenza ma ne assorbe,
disperdendola in attriti e rallentando così la corsa del pistone e, di conseguenza, la
rotazione dell’albero a gomiti. In un pluricilindrico le combustioni vengono "sfalsate" tra
loro in modo da ridurre quella che si chiama irregolarità ciclica, mentre nei mono si può
solo fare affidamento sulle masse volaniche (generatore di corrente, albero motore,
campana della frizione…): maggiore è il prodotto delle masse per il loro diametro,
maggiore sarà l’inerzia disponibile. Ciò manterrà più costante la rotazione ai bassissimi
regimi, ma poi costituirà un limite notevole alla brillantezza nel prendere i giri.
Emblematico in questo senso il volano esterno del motore Moto Guzzi 500 che, in varie
versioni e allestimenti, ha accompagnato la casa per quasi mezzo secolo: il regime
minimo molto basso deriva, oltre che dalla fasatura "stretta" della distribuzione, proprio
dalle masse volaniche eccezionalmente dimensionate. Per questo, è normale che in un
monocilindrico odierno, con potenze dagli 80 CV/litro in su, il volano venga mantenuto
ragionevolmente leggero, e questo provoca spesso irregolarità ai bassi regimi. I motori a
due tempi di solito soffrono in misura minore di questo problema, perché hanno una
combustione ogni 360° di rotazione, cioè ogni giro.
Il motore della Aprilia Pegaso 650 può essere considerato una sorta di "anello di
congiunzione" nell'evoluzione dei monocilindrici. Cilindrata, dimensioni e pesi
risentono dei canoni nati negli anni Ottanta, ma raffinatezze come le cinque valvole
a disposizione radiale, la distribuzione bialbero con camme troncoconiche, il
raffreddamento a liquido e, ultimamente, l'iniezione ne fanno ancora un riferimento
nella categoria dei mono stradali
In più attualmente i motori a due tempi sono di cilindrata ridotta (fino a 250 cc): e il loro
campo di impiego praticamente esclude i regimi più bassi, quelli ai quali è più sensibile il
fenomeno. Dal punto di vista delle prestazioni, poi, un monocilindrico è più svantaggiato
dei frazionati, soprattutto nelle grandi cilindrate. Le esigenze termodinamiche, infatti,
rendono difficoltosa l'adozione di alesaggi molto grandi (oltre i 100 mm), perchè
diventerebbe difficile mantenere le necessarie caratterstiche di rapidità e completezza
della combustione in camere tanto ampie. Ne consegue che, data la cilindrata, la corsa
non può essere particolamente contenuta e questo pone dei limiti al regime raggiungibile e
quindi, complice un sistema di alimentazione difficile da realizzare con le caratteristiche
adatte (per motivi di ingombro e fluidodinamici), la potenza erogabile. Ne sono la conferma
i più recenti (e moderni) motori da fuoristrada: per raggiungere i giri necessari e avere lo
spazio necessario a una fluidodinamica adeguata (condotti efficienti, carburatori di
dimensioni ragionevoli, air-box di volume adeguato), la cilindrata si è assestata tra 400 e
450 cc. Un altro punto debole dei monocilindrici è la rumorosità: le pulsazioni di
aspirazioni e scarico sono più "energiche" dei frazionati di pari cilindrata e questo impone
studi approfonditi per silenziare adeguatamente il motore senza "strozzarlo".
Le vibrazioni
Un metodo decisamente soddisfacente per equilibrare un monocilindrico è
l'impiego di due alberi controrotanti disposti in posizione opposte rispetto all'albero
motore. Le frecce indicano la direzione e il verso delle forze in gioco. Notare come,
con l'albero a 90° dai punti morti, l'accelerazione quasi nulla del pistone ne renda
trascurabile la trsmissione di forze all'albero motore, e quindi la propria influenza
sul sistema complessivo
Un altro degli aspetti critici del monocilindrico è l’equilibratura delle masse alterne: il
pistone, lo spinotto e quella metà -in massa- della biella a cui convenzionalmente si
attribuisce un moto alternato, si muovono generando delle forze di inerzia, che, per effetto
delle accelerazioni (positive e negative) dovute all’inversione del loro moto, si scaricano
sugli organi adiacenti (albero, cuscinetti, carter) creando delle vibrazioni. Le masse
alterne non possono essere bilanciate al 100% con i contrappesi dell’albero motore:
questi contrasterebbero perfettamente le inerzie degli organi dotati di moto alternato solo
al PMS (punto morto superiore) e al PMI (punto morto inferiore), quando il verso e il
"vigore" delle due forze sarebbe il medesimo, ma con direzione opposta. In ogni altra
posizione, e in particolare nei punti intermedi tra i due punti morti, si avrebbero degli
squilibri (e quindi delle vibrazioni) enormi, perché le inerzie dei contrappesi acquistano
verso e direzioni variabili, diversi da quelli delle masse alterne. Per questo si tende a
bilanciare con i contrappesi dell’albero motore il 100% delle masse rotanti (perno di
manovella e porzione di biella considerata a moto prevalentemente rotatorio) e circa il 50-
60% delle masse alterne. A partire da una ventina di anni fa, comunque, con le Yamaha
XT550 e le Honda XL500 si è generalizzata l’adozione di alberi di equilibratura
controrotanti, quasi sempre singoli, ma alcune volte (Honda, Suzuki) doppi, soluzione più
complessa ma più efficace (riduce l’insorgere di coppie tra i contrappesi dell’albero
motore e quelli del contralbero).
Pur se meno efficiente, per ragioni di semplicità (costi, persi, ingombri) la soluzione
più diffusa è l'impiego di un solo albero di equilibratura controrotante
Contribuiscono alle vibrazioni dei motori di cilindrata maggiore anche le necessità di
compattezza: i cilindri di questi motori sono invariabilmente verticali o solo leggermente
inclinati, e la corsa non può essere troppo contenuta per non scontrarsi con pistoni di
dimensioni eccessive, che sarebbero afflitti da problemi di peso o di resistenza dei pistoni
stessi, oltre al problema di dover gestire con adeguata efficienza la combustione all’interno
di una camera di combustione molto larga e quindi (per raggiungere un adeguato rapporto
di compressione) piuttosto "schiacciata". Per questo si impiegano corse raramente
inferiori a 75/80 mm, e quindi per limitare l’ingombro in altezza dei gruppi termici si ricorre
all’impiego di bielle piuttosto corte in relazione alla corsa. Ne deriva una forte inclinazione
della biella durante la corsa del pistone, che provoca delle spinte laterali sul pistone non
trascurabili, che si trasmettono al cilindro facendolo vibrare. Queste forze, però non
possono essere in alcun modo equilibrate.
Lo stato attuale
Il motore della Ducati Supermono, stretto parente dei bicilindrici da competizione
della Casa, ha la particolarità di un sistema di equilibratura a bielletta oscillante. In
pratica si simula la presenza di un altro gruppo termico a 90°, una configurazione
intrinsecamente efficiente sotto questo aspetto Notare la rettilineità del condotto di
aspirazione
Gli aspetti costruttivi degli attuali motori monocilindrici sono strettamente legati alla loro
storia e all’impiego a cui sono destinati. I motori a due tempi appaiono confinati a nicchie
di mercato come le moto da cross fino a 250 cc (le 500 a 2T sono ormai quasi
scomparse), le 125 di elevate prestazioni (stradali o enduro) e gli scooter fino a 200 cc
caratterizzati da un basso prezzo d’acquisto o da una personalità sportiva. In assenza di
ulteriori, sconvolgenti sviluppi sulla gestione dell’alimentazione e della combustione,
comunque, il futuro di queste motorizzazioni appare piuttosto buio a causa delle crescenti
restrizioni sulle emissioni inquinanti. I motori a quattro tempi, invece, dominatori
incontrastati delle grandi cilindrate, sono apparsi prepotentemente anche nelle piccole
cilindrate. Le strade seguite sono differenti: i motori meno votati alle prestazioni hanno il
raffreddamento ad aria e, in molti scooter, due valvole per cilindro. Le quattro valvole
appaiono comunque una dotazione obbligata per i mono di cilindrata superiore, perché
permettono non solo prestazioni più credibili, ma anche forme più efficienti della camera
di combustione. Quest’ultima caratteristica appare irrinunciabile non solo nel caso dei
motori più prestanti, come i 250 e i 400/450/500 che spopolano nel cross e nell’enduro, ma
anche per i motori turistici di cilindrata superiore per garantire un’adeguata efficienza di
combustione in presenza di alesaggi anche superiori ai 100 mm. Interessanti in questo
senso le valvole radiali del mono Honda montato su Dominator e Vigor (con un comando
monoalbero piuttosto complesso) e le cinque valvole per cilindro di Yamaha (660, 250,
400/426) e Aprilia (con valvole radiali).
Il sistema di raffreddamento a liquido adottato dai motori più performanti (nel
disegno, lo Yamaha XTZ/SRZ 660) ricalca in tutto gli schemi dei più sofisticati
motori supersportivi
Non è un caso, nell’ottica dell’efficienza, che i grandi mono raffreddati ad aria ancora in
produzione (Honda, Suzuki, Yamaha, Rotax) abbiano condotti di aspirazione orizzontali,
pensati cioè per assicurare più una elevata turbolenza alla carica che entra nel cilindro (a
garanzia di completezza della combustione), che un’elevata potenza specifica. Il
raffreddamento a liquido è anch’esso diventato una caratteristica quasi obbligata, tranne
nei casi di propulsori con destinazione turistico-utilitaria. Nei motori più prestanti, infatti,
la temperatura può essere distribuita in modo più uniforme, esigenza sentita soprattutto
per minimizzare il rischio di deformazioni termiche della testata e del cilindro: nella testata
ciò può portare a una perdita di coassialità tra guide e sedi e minare così la tenuta delle
valvole, mentre nel cilindro, in particolare quelli di alesaggio maggiore, si possono
verificare peggioramenti della tenuta dei segmenti con conseguente passaggio di
lubrificante nella camera di combustione, attraverso il gioco pistone-canna o dal recupero
dei gas di sfiato del basamento. Infatti, tutti i motori di nuova progettazione vengono dotati
di raffreddamento ad acqua, che ha anche una efficace funzione fonoisolante.