Differenza tra i motori raffreddati ad aria e a liquido.

Le moto con motori raffreddati ad aria, sembrano avere un declino nella produzione, e pian piano stanno sparendo dal mercato motociclistico. La maggior parte delle moto moderne, come molti scooter e maxi-scooter, sono raffreddati a liquido. Il fine del raffreddamento del motori, è quello di abbassare il calore prodotto dalla combustione e dal movimento degli ingranaggi, che sono all’interno di un motore. A differenza di tanti dispositivi che compongono la moto, che hanno avuto un’evoluzione nel campo motociclistico e ingegneristico, il raffreddamento è da decenni sempre lo stesso. Infatti, raffreddare i motori a liquido, è una tendenza che ha circa un centinaio di anni.

Basti pensare che nel campo automobilistico, ci sono aziende che hanno utilizzato positivamente il raffreddamento ad aria, come la Porsche e la Chevrolet, con ottimi risultati. Mentre nel settore motociclistico, abbiamo moto anche recenti, che utilizzano il raffreddamento ad aria. Ad esempio la nuova Ducati Scrambler 1100, la BMW R Nine T e la Honda CB 1100, sono ad oggi ancora in produzione e con motori raffreddati ad aria e olio. Questa si tratta di un “evoluzione” del sistema di raffreddamento ad aria, che vedremo di seguito.

Perché aumenta la temperatura?

Come sappiamo, i motori convenzionali che si utilizzano nel campo motociclistico (esclusi quelli elettrici), convertono l’energia della combustione del carburante, in energia meccanica. Tramite un sistema di pistoni, bielle e vari ingranaggi, questa energia “potenziale” viene trasferita alla ruota posteriore (con l’ausilio della frizione) e permette alla moto di muoversi. Ma non tutta l’energia prodotta dalla combustione viene convertita in energia meccanica, la maggior parte viene dissipata in “energia termica” (calore). Nei motori termici a combustione interna abbiamo una conversione di circa il 35 % in energia meccanica, quindi il 65 % del lavoro prodotto, viene “perso” in calore e attrito. Mentre nei motori elettrici si ha una conversione di circa il 90% (efficienza), ma questo era solo per capire l’efficienza di un motore. Quindi, il motore di una moto, dal momento che si avvia, genera calore che andrà tenuto sotto controllo e raffreddato.

Perché raffreddare il motore

Prima di discutere sul tipo di raffreddamento migliore, aria o liquido, dovremmo ben capire il funzionamento e perché un motore debba essere raffreddato.

Come abbiamo visto in precedenza, i motori, a causa dell’attrito delle parti in movimento, tendono facilmente a riscaldare. Quando poi si cerca di far girare il motore a regimi maggiori, si aumenta la quantità di attrito e si avrà di conseguenza un’aumento del calore prodotto. Un aumento eccessivo della temperatura del motore, viene chiamato surriscaldamento, che potrebbe provocare la fusione delle guarnizioni e delle parti in gomma, con conseguente grippaggio (blocco). Per tale motivo, si rende necessario raffreddare il motore e abbassare la temperature interna, così da evitare gravi danneggiamenti.

Tipologia di raffreddamento

Per un corretto uso della moto e per prestazioni ottimali, si rende opportuno avere un sistema di raffreddamento adeguato alle circostanze. Di questi esistono tre sistemi di raffreddamento, che non fanno altro che classificare i motori, in base alla tecnologia utilizzata per raffreddare. Vediamo quali sono:

Raffreddamento ad olio
Raffreddamento ad aria
Raffreddamento a liquido

Raffreddamento ad olio

Anche se non fa parte del quesito posto, riteniamo essenziale fare un piccolo cenno su questo tipo di raffreddamento, poiché ancora utilizzato su molte moto moderne.

Nel campo motociclistico, l’olio viene utilizzato non solo per lubrificare, ma anche per raffreddare. Come sappiamo l’aumento della temperature dell’olio, abbassa il livello di viscosità, in termini semplici il suo spessore. Minore spessore, genera maggiore attrito tra le parti interne in movimento, con possibile grippaggio del motore. Per far fronte a ciò, si è dovuto installare un “radiatore dell’olio” che abbassa la temperatura dell’olio, e da questo deriva il raffreddamento misto aria/olio (in uso sulla nuova Ducati Scrambler, etc) .

Questo tipo di raffreddamento, rende la moto di facile manutenzione e produzione, ma è a discapito dell’efficienza. Infatti, rispetto ad un motore raffreddato a liquido, si ha un potere di raffreddamento inferiore. In termini di prestazioni, si classifica nel mezzo tra un motore raffreddato ad aria e uno a liquido.

Come funziona?

L’aria raffredda la parte frontale e laterale di un motore classico ad aria, con una buona efficienza. Mentre l’olio abbassa la temperatura nella parte alta, bassa e posteriore, che sono le parti dove l’aria non riesce ad arrivare. In sostanza unisce il potere del vento e del liquido (in questo caso olio), per raffreddare il motore in tutte le sue parti.

Caratteristiche

Consumi carburante: ha un buon compromesso, poiché l’olio raffredda tutti quei punti dove l’aria non riesce ad arrivare, mantenendo una buona efficienza dei consumi;
Affidabilità: sono abbastanza affidabili, ma quando la temperature esterna aumenta e se ci dovessimo fermare nel traffico, il motore sarà messo a dura prova;
Potere di raffreddamento: medio/alto, unisce i due sistemi, aria e liquido, ma non efficiente come un sistema ad acqua;
Peso: ha un un circuito ridimensionato rispetto a quelli a liquido, ma ha comunque un radiatore, che anche se di dimensioni ridotte, fa aumentare il peso della moto (rispetto a quelli ad aria);
Manutenzione: ha bisogno delle stesse attenzioni di un motore raffreddato a liquido, solo che i particolari che si possono danneggiare sono minori;
Prestazioni/potenza: si riescono ad ottenere motori con una media potenza, non ancora al livello di motori raffreddati a liquido;
Estetica: si ha quel giusto mix tecnologico, radiatore e tubature, che si sposa con la semplicità di un motore raffreddato ad aria;
Costo produzione: medio/alto.

Raffreddamento ad aria

Adesso vediamo come funzionano le moto raffreddate ad aria e da come suggerisce il nome, si intuisce che utilizza l’aria come agente di raffreddamento. Questo è stata una delle tecnologia più utilizzata per raffreddare i motori delle moto e scooter. E’ caratterizzato da piccole “alette” che circondano il motore, che non fanno altro che aumentare l’aria di contatto tra il motore e il vento che raffredda. Il funzionamento è molto semplice, l’aria passa su queste alette di raffreddamento con il fine di dissipare il calore emanato dal motore.

Secondo alcuni test ingegneristici, la quantità di calore eliminato in un motore standard raffreddato ad aria è di circa il 13%. Da questo ne consegue, che quando si viaggia a una velocità constante e arriva sufficiente vento alle “alette” del motore, il raffreddamento è sufficiente a non far surriscaldare le componenti interne. Mentre nel caso in cui si è fermi con la moto nel traffico, in una giornata molto calda, le alette non saranno sufficienti a mantenere stabile il calore e a raffreddare correttamente il motore.

Consumi carburante: l’aumento frequente di temperature di esercizio del motore, aumenta i consumi del carburante. Questo perché, un motore termico ha un efficienza ottimale ad un certo intervallo di temperature, quando questa aumenta, le prestazioni scendono e i consumi del carburante crescono;
Affidabilità: sufficienti per un uso non intenso, il problema di questi motori sono il forte calore che si genera quando si è fermi nel traffico che tendono a danneggiare le parti interne;
Potere di raffreddamento: molto basso, rispetto alla concorrenza, giacché utilizza solo l’aria dell’ambiente circostante per raffreddare;
Peso: si dispone di molti meno particolari che fanno parte del motore, non abbiamo bisogno di radiatore in alluminio, pompa, tubi, liquido refrigerante e di cavità interne che ne aumentano dimensioni e peso;
Manutenzione: avendo meno particolari che possono guastarsi, si ha una manutenzione molto più facile e veloce. Di opposto, gli intervalli dei tagliandi (manutenzione) sono molto più frequenti rispetto a un motore a liquido;
Prestazioni/potenza: a parità di dimensioni, si ottiene una minore quantità di potenza erogata rispetto a un motore a liquido. Inoltre dato che il sistema di raffreddamento non riesce a mantenere una temperature stabile, si ha un calo delle prestazioni alle alte temperature;
Estetica: si dispone di molti particolari in meno, come plastiche, gomma e alluminio, donando un fascino elegante, minimalista e classico;
Costo produzione: basso

Raffreddamento a liquido

Ad oggi, è il metodo più utilizzato dalle case produttrici di moto, e non solo. Il concetto è molto semplice, si utilizza un liquido (refrigerante), che circola una rete di cavità all’interno del motore. Con l’aiuto di tubi flessibili, refrigerante, radiatore e ventola, il motore viene mantenuto ad una temperature constante per tutto il periodo di esercizio. Per meglio chiarire, vediamo in breve il funzionamento di un motore raffreddato a liquido.

Il liquido viene inviato con a una pompa, dal radiatore, all’interno del motore. Quando il termostato rileva che il liquido ha raggiunto una temperature eccessiva, la ventola (posizionata dietro il radiatore) si accende e ne aumenta il flusso d’aria che passa all’interno del radiatore. Di conseguenza, il radiatore raffredda il liquido che viene ri-pompato nel circuito e così facendo mantiene una temperature stabile del motore. Il liquido che si utilizza per raffreddare viene chiamato “refrigerante”, che solitamente si tratta di una miscela d’acqua, antigelo e inibitori di ruggine.

Consumi carburante: i motori raffreddati a liquido, lavorando a un’intervallo di temperatura molto ristretto (stabile), generando minori consumi di carburante;
Affidabilità: è possibile far lavorare il motore in diverse condizioni di temperature, anche quando si è fermi nel traffico, conferendo sicurezza e lunga durata;
Potere di raffreddamento: molto alto, il liquido raffredda in modo constante e preciso tutte le sezioni del motore;
Peso: abbiamo un motore più ingombrante e maggiori particolari, come radiatore, pompa e liquido, che aumenta notevolmente il peso;
Manutenzione: ci sono molti più particolari che si possono danneggiare, che ne aumentano il costo di manutenzione. Ma di opposto, abbiamo una manutenzione meno frequente;
Prestazioni/potenza: a parità di motore e dimensione, si ottiene un maggiore rapporto di compressione. Inoltre si può produrre motori con molti più CV (cavalli vapore) rispetto a quelli raffreddati ad aria.
Estetica: anche se ci sono motori raffreddati ad aria molto interessanti, si ha maggiore ingombro e una quantità superiore di plastica e tubi. Ma è questione di gusti.
Costo produzione: alto, tutto in rapporto alla quantità di particolari che compongono il motore.

Impatto ambientale

Negli ultimi anni si pensa sempre più all’impatto ambientale che nel tempo hanno i veicoli con motori a combustione interna. Nel caso di un motore raffreddato ad aria, la sua ampia tolleranza di temperatura rispetto ad un motore a liquido, crea problemi all’ambiante, ma vediamo come.

E’ tutta questione di fisica.

I metalli che compongono le parti interne di un motore, tendono a dilatarsi con l’aumentare delle temperature e a ristringersi quando il calore scende. Gli ingegneri, per evitare il grippaggio e il blocco del motore, hanno previsto delle tolleranze molto più ampie rispetto ad un motore raffreddato a liquido. Infatti, quest’ultimi sono caratterizzati da un intervallo di temperatura molto più ristretto, poiché l’impianto di raffreddamento a liquido tiene sotto controllo gli sbalzi di calore.

Ebbene, nei motori raffreddati ad aria, per consentire l’espansione e la contrazione dei metalli, si creano maggiori tollerane tra le parti a contatto. Queste, creano spazi “vuoti” che possono consentire all’olio di entrare nella camera di combustione, bruciando, e arrecando danni all’ambiente. Infatti un motore ad aria, prevede un controllo delle valvole ogni 10.000/15.000 km, a differenza di quelli raffreddati a liquido che lo richiedono ogni 30.000/35.0000 km (più del doppio).

Impatto acustico

Sembrerà strano, ma il rumore è uno degli argomenti discusso in fase di omologazione e normativa. Si da per scontato che il rumore della moto è generato dal silenziatore scarico, ma non è prettamente così. Più precisamente, non è solo lo scarico a fare rumore, anche il motore genera un suo “suono” dovuto dagli ingranaggi.

Nel caso di un motore a raffreddato a liquido, tutta “l’acqua” che circonda il motore, assorbe una porzione del rumore meccanico prodotto delle parti interne in movimento. Di conseguenza, un motore a liquido è un po’ più silenzioso rispetto ai rivali ad aria e aria/olio. Minor rumore, da la possibilità alle aziende motociclistiche, di utilizzare scarichi più preformanti, rientrando sempre nelle nuove e restringenti normative acustiche.

Conclusioni

Il problema del raffreddamento, è che maggiore sarà la grandezza del motore e del cilindro, è più difficile sarà abbassare la temperature generata. Quindi a parità di prestazioni, un motore ad aria, sarà più difficile da raffreddare rispetto a uno liquido. Infine, un motore raffreddato a liquido, permette alle aziende di realizzare moto con maggiore potenza e con migliore facilità di rientrare nei nuovi standard europei.

Dato che i vantaggi di un motore ad “acqua” sono maggiori rispetto a quelli ad aria (e aria/olio), si intuisce che il futuro motociclistico dei motori sarà quello del raffreddamento a liquido. Questi ottengono una migliore gestione del calore e erogazione del carburante, con consumi e emissioni di idrocarburi minori rispetto alla concorrenza.