Freno motore: cos'è, dove e come nasce | L'analisi tecnica

Il motore a combustione interna è una macchina di vecchia concezione (i primi prototipi risalgono al 1854), ma tutt'oggi estremamente affascinante. Essa è in grado di convertire energia chimica in lavoro meccanico, sfruttando complessi fenomeni chimico/fisici che ne determinano le caratteristiche di funzionamento. Una di queste è il "freno motore", argomento - più o meno noto - ma spesso trattato in modo superficiale (e a volte anche errato). Ad esso ho deciso di dedicare questo nuovo articolo della rubrica Calibro & Dinamometrica. Buona lettura !

COS'E' IL FRENO MOTORE - Se guidi abitualmente un veicolo (auto, moto, scooter, camion ecc.) con motore a combustione interna (a 2 o a 4 tempi), ti sarai probabilmente accorto che quando rilasci completamente l'acceleratore, durante la marcia, esso rallenta rapidamente...come se fosse frenato. Tale fenomeno, chiamato "freno motore", si verifica sempre, anche in discesa, a patto però che la frizione non sia tirata, o che il veicolo non sia in folle. Quando infatti gli organi di trazione sono svincolati dal motore, la suddetta forza frenante non si manifesta, o meglio, si manifesta in modo molto più lieve poiché sono minori le forze in campo, tanto che nei tratti in discesa più accentuati, la velocità del veicolo tende addirittura ad aumentare.

COME FUNZIONA UN MOTORE A COMBUSTIONE INTERNA - Per capire meglio perché il "freno motore" si manifesta, è bene innanzitutto ricordare il funzionamento di un motore. Prendiamo ad esempio in esame il motore quattro tempi, il suo ciclo termodinamico si compie in quattro singole corse del pistone (o due giri di albero motore) all'interno del suo cilindro:

1. Aspirazione ➜ Le valvole di aspirazione sono aperte, il pistone scende dal PMS al PMI e aspira la miscela combustibile (aria/carburante), dosata dal sistema di alimentazione, attraverso il condotto di aspirazione;
2. Compressione ➜ Le valvole di aspirazione e scarico sono chiuse, il pistone sale dal PMI al PMS comprimendo la miscela combustibile;
3. Scoppio/espansione ➜ Le valvole di aspirazione e scarico sono chiuse. Poco prima che il pistone raggiunga il PMS in fase di compressione, fra gli elettrodi della candela scocca la scintilla, che incendia la carica. Lo scoppio produce l'espansione del gas, e il pistone viene spinto violentemente verso il PMI;
4. Scarico ➜ Le valvole di scarico sono aperte, il pistone risale verso il PMS spingendo fuori dalla camera di scoppio i gas combusti.

Di queste quattro fasi solo una produce lavoro, quella di espansione (N.3), mentre le altre tre lo assorbono. Il lavoro prodotto è direttamente proporzionale alla quantità di combustibile che giunge in camera di combustione durante la fase di aspirazione. Essa viene regolata dal sistema di alimentazione, gestito in parte dalla centralina (o dai carburatori), in parte dal guidatore, che attraverso il comando del gas (o acceleratore), regola la portata d'aria aprendo o chiudendo le valvole a farfalla a seconda delle esigenze di marcia.

Maggiore è dunque la quantità di combustibile introdotta in camera di combustione, maggiore sarà l'energia sprigionata dallo scoppio, che produrrà a sua volta un innalzamento della potenza, della coppia e del numero di giri.

ATTRITO VS INERZIA - Partendo da un esempio pratico, vediamo ora cosa succede durante il ciclo termodinamico di un motore quattro tempi in fase di decelerazione.

Immagina dunque di viaggiare con la tua moto, in autostrada, e di percorrere, in quarta marcia, un tratto pianeggiante. L’acceleratore è parzialmente aperto (40%), il tachimetro indica una velocità di 130 km/h, e il motore gira a un regime costante di 7.500 giri al minuto. In questa situazione, lo scoppio della miscela in camera di combustione, sprigiona energia sufficiente a vincere tutti gli attriti che si oppongono al funzionamento del motore, e all'avanzamento del veicolo. Ma torniamo al nostro esempio...

Manca circa 1 km al casello, e a breve dovrai rallentare. Chiudi la manopola del gas, dunque le valvole a farfalla tornano in posizione di riposo (o meglio di apertura minima), e la centralina riduce il flusso di carburante inviato attraverso gli iniettori. In camera di combustione confluisce ora una quantità di combustibile (mix. aria/benzina) sufficiente a non far spegnere il motore quando il veicolo è in folle (o la frizione è tirata), e dunque inadeguata alle suddette condizioni di marcia.

Il veicolo, per inerzia, vorrebbe mantenere la sua velocità, ma il motore sta producendo energia sufficiente a girare a 1.300 giri/min, ben 6.200 giri più in basso di quanto gli impone la ruota di trazione. In questa situazione dunque la fase di espansione è quasi completamente negativa, e gli attriti prodotti dal motore (trasmissione compresa) gravano quasi completamente sulla ruota, che produce pertanto una vera e propria coppia frenante proporzionale al numero dei giri motore. Tale forza, vista la natura, è appunto chiamata "freno motore".

A contribuire al rallentamento del veicolo, sono, inoltre, l'attrito prodotto dal rotolamento della ruota sull'asfalto, e la resistenza aerodinamica dello stesso.

IL FRENO MOTORE NEI MOTORI 2T - Rispetto ai motori a quattro tempi, quelli a due tempi - a parità di cilindrata - hanno un freno motore meno potente. Ciò è dovuto al fatto che il ciclo termodinamico completo, si compie in due sole corse dello stantuffo (un giro di albero motore). Dunque si ha un assorbimento di energia minore, dovuto anche all'assenza degli organi della distribuzione (catena, valvole ecc.).

L'USO DEL FRENO MOTORE - Sfruttare l'effetto frenante del freno motore, durante la guida, porta i seguenti vantaggi: nell'uso stradale, permette di ridurre il consumo dei freni, soprattutto in discesa, in quello sportivo aiuta invece a ritardare le staccate, e ad abbassare dunque i tempi sul giro. In alcune moto moderne, ovvero in quelle dotate di acceleratore ride by wire, è possibile effettuare la regolazione del freno motore attraverso la centralina di serie, o installandone una aggiuntiva. Il sistema gestisce automaticamente l'apertura delle valvole a farfalla in fase di decelerazione, a seconda dei parametri impostati in fase di settaggio.  

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