Rapporto di compressione

Il rapporto di compressione esprime con quanta intensità un motore comprime l'aria o la miscela aria-combustibile all'interno di ciascun cilindro durante la fase di compressione. È definito come il rapporto fra due volumi: lo spazio totale nel cilindro quando il pistone si trova al punto più basso della sua corsa e lo spazio assai minore che resta quando il pistone raggiunge il punto più alto. Un valore di 10:1, per esempio, significa che la miscela viene compressa fino a un decimo del suo volume iniziale prima dell'accensione. Questo singolo numero rivela molto sul carattere di un motore, sulle sue esigenze di carburante e sulla sua efficienza.

Il rapporto conta perché comprimere più a fondo la carica prima della combustione rende il motore termicamente più efficiente e capace di estrarre più lavoro da ogni unità di carburante. Un rapporto di compressione più alto innalza pressione e temperatura nel cilindro al momento dell'accensione, il che significa che la successiva combustione spinge con maggior forza sul pistone e libera la sua energia in modo più efficace. La termodinamica del ciclo del motore premia la maggiore compressione con più efficienza e più potenza a parità di carburante, ed è per questo che i progettisti sono sempre tentati di alzarla quanto le condizioni consentono.

Nei motori a benzina, però, esiste un tetto invalicabile imposto dalla detonazione. Al crescere della compressione cresce la temperatura della miscela e, oltre un certo punto, il carburante può accendersi spontaneamente e in modo irregolare prima che scocchi la candela, producendo i dannosi picchi di pressione noti come detonazione o battito in testa. Per resistervi occorre un carburante con numero di ottano più elevato, che brucia in modo più controllato sotto pressione, perciò i motori a benzina ad alta compressione richiedono carburante super. Questo compromesso ha storicamente limitato i rapporti di compressione dei benzina circa all'intervallo da 9:1 a 13:1, con i valori più alti riservati ai motori progettati attorno a carburanti ad alto numero di ottano o a un sofisticato controllo della combustione.

I motori diesel trasformano questo vincolo in un pregio, affidandosi alla compressione stessa per accendere il carburante. Adottano rapporti molto più elevati, di norma da circa 15:1 in su, perché il calore generato dalla sola compressione dell'aria deve bastare ad accendere il gasolio spruzzato al punto più alto della corsa. Non c'è candela: l'alta compressione è la fonte di accensione. È questa la ragione di fondo per cui i motori diesel sono costruiti in modo più robusto di quelli a benzina, dovendo sopportare le pressioni assai maggiori che tali rapporti producono.

La tecnologia moderna ha allentato alcuni di questi vecchi limiti. L'iniezione diretta raffredda la carica in ingresso man mano che il carburante evapora dentro il cilindro, permettendo ai motori a benzina di adottare una compressione leggermente più alta senza detonare, mentre la sovralimentazione, che forza più aria, richiede in genere un rapporto geometrico più basso per tenere sotto controllo le pressioni di picco. Alcuni motori avanzati arrivano persino a variare il rapporto di compressione in marcia per bilanciare efficienza e potenza. Il rapporto di compressione si colloca così al cuore della progettazione del motore, intimamente legato alla cilindrata, al disegno del pistone e al comportamento più ampio del motore a combustione interna.