Mondo motori
Tecnica evoluzione
Teoria motori ad elevate prestazioni
Motore a quattro tempi ciclo otto
Il motore è nato da un antico desiderio dell'uomo: creare un meccanismo instancabile ed economico capace di generare lavoro meccanico. I primi risultati concreti ci furono nel 1769 grazie a J. Watt: l'idea fu quella di ricavare lavoro utile facendo espandere del vapore precedentemente portato ad alte temperature e pressioni. Questa macchina, però, aveva delle considerevoli dimensioni ed un peso enorme. L'idea decisiva fu quella di un motore alternativo a combustione interna: introdurre all'interno della camera di lavoro un fluido capace di bruciare fornendo l'energia termica necessaria a ricavare il lavoro meccanico. Come fluido di lavoro si utilizza una miscela opportunamente dosata di aria e carburante (comburente e combustibile). La combustione della miscela può essere innescata tramite dispositivi ausiliari. Il cuore del motore è la camera di lavoro ed è costituita dalla parte interna del cilindro e dalla faccia superiore di un pistone. Superiormente la camera di lavoro è chiusa dalla testata la quale è fissata al cilindro mediante prigionieri. Il pistone è libero di muoversi all'interno del cilindro eseguendo un moto rettilineo alterno. Per mezzo di un perno tubolare, lo spinotto, il pistone è collegato ad una biella, una sorta di rigida e robusta asta, a sua volta vincolata all'albero a gomiti. L'albero a gomiti è la vera e propria manovella, dotato di perni di banco e di perni di biella. Il sistema così costituito è vincolato al basamento tramite dei supporti, scomponibili in modo da facilitare l'assemblaggio del motore. Il basamento costituisce il corpo principale del motore in cui sono inseriti i cilindri. La biella, di forma rastremata, è dotata di due fori passanti con assi perfettamente paralleli al piano di rotazione dell'albero a gomiti. Nel foro di diametro minore, chiamato piede di biella, è inserito la spinotto; mentre nella testa di biella, l'estremità opposta, si inserisce il perno di biella dell'albero a gomiti. Si hanno allora due sistemi: il primo costituito dal pistone, dallo spinotto e dal piede di biella, caratterizzato da un moto di tipo esclusivamente rettilineo, mentre il secondo, formato dall'albero a gomiti e dalla testa di biella è caratterizzato da un moto circolare. L'insieme consente di trasformare il moto rettilineo alterno del pistone nel moto rotatorio dell'albero a gomiti.
Combustione
La combustione, ovvero la reazione chimica fra benzina e l'aria, viene innescata al termine della fase di compressione mediante un piccolo arco elettrico, fatto scoccare fra gli elettrodi di una candela. Quando in aria libera, a pressione e temperatura ambiente, si da inizio alla combustione di una determinata quantità di benzina allo stato liquido, la fiamma, limitata alla sola zona di contatto fra aria e combustibile, si propaga con velocità relativamente bassa. Anche quando la benzina viene miscelata all'aria sottoforma di vapore o di piccolissime goccioline, la velocità di fiamma non risulta comunque elevata. Se però si realizza una miscela con forte rimescolamento, ossia con moto turbolento, si raggiungono velocità di oltre 40 m/s. Nel motore, infatti, la reazione fra aria e benzina non è improvvisa e subitanea, bensì richiede un certo tempo; per questo motivo è improprio parlare di motori a scoppio quanto piuttosto di “motori a combustione interna”. Essendo la velocità della combustione limitata, è necessario innescare l'accensione della miscela con un certo anticipo rispetto al PMS, affinché la reazione si completi entro il più breve arco di tempo possibile (prima che si apra la valvola di scarico). La velocità della combustione dipende dalla velocità di propagazione della fiamma, che a sua volta dipende da vari parametri che possono essere stabiliti in fase di progetto. Si realizza il raggiungimento della massima velocità con miscele ricche (eccesso di benzina) rispetto al rapporto stechiometrico di 14 a 1. Alimentando il motore con miscele povere o ricche si osserva, infatti, una rapida diminuzione o aumento della velocità di propagazione della fiamma, fino a raggiungere, nelle due condizioni estreme ed opposte, i limiti di incendiabilità della miscela, in cui nulla farebbe innescare la reazione fra aria e benzina. Viaggiare con il carburatore (o l'impianto d'iniezione) regolato in modo da fornire una miscela leggermente ricca significherebbe però aumentare il consumo, ridurre l'efficienza e la durata delle candele d'accensione. Si cerca allora una diversa soluzione: ottimi risultati si ottengono sfruttando l'elevata velocità con cui la miscela fresca entra nel cilindro (80 m/s e oltre) che, se opportunamente sfruttata mediante un 'adeguata conformazione del condotto di aspirazione (effetto swirl), garantisce un'ottima miscelazione dell'aria con la benzina ed un ottimo grado di riempimento del cilindro. Essenziale è anche il rapido movimento del pistone, che comporta un progressivo incremento delle turbolenze all'aumentare del regime di rotazione. Questo garantisce il completamento della combustione anche agli alti regimi, senza ricorrere ad eccessivi anticipi di accensione. Una notevole turbolenza può essere realizzata anche conformando opportunamente la camera di combustione, conferendole una forma tale da imprimere alla miscela un andamento vorticoso durante la fase di compressione e soprattutto durante la fase iniziale della combustione. A fine compressione la miscela raggiunge temperature comprese fra i 400°C e i 600°C, con pressioni che a seconda del rapporto di compressione si attestano sui 15-25 bar. La scintilla che scocca fra gli elettrodi innesca la reazione in una prima, piccola, porzione della carica, da cui la fiamma si propaga con un fronte di spessore 0.1mm (combustione per strati successivi), in corrispondenza del quale vengono raggiunte temperature istantanee superiori ai 2000°C, con un notevole incremento di pressione della carica combusta. Il fronte di fiamma crea quindi un 'onda di pressione che spinge davanti a se la parte ancora incombusta della miscela, che viene ulteriormente compressa e sottoposta ad una turbolenza crescente. La seconda fase della combustione si svolge pertanto con velocità assai superiore a beneficio del rendimento del motore. L'aumento di pressione che si ottiene all'interno del cilindro va dai 40 a 50 bar (motori di serie di attuale produzione) e deve verificarsi poco dopo il PMS. Se il picco di pressione venisse a trovarsi in corrispondenza del PMS, o ancora prima, la forza risultante della spinta dei gas tenderebbe a contrastare violentemente il movimento dei pistone nella sua corsa ascendente, fenomeno che provoca un notevole calo del rendimento termico, e alla fine, ad un rapido deterioramento degli organi principali (pistone testa, valvole, imbiellaggio). La corretta posizione del picco di pressione risulta quindi essere a 10° 15° dopo il PMS. SI anticipa opportunamente l'accensione attraverso un dispositivo capace di variare l'angolo di anticipo in funzione del regime di rotazione e del carico del motore.
Detonazione
Il fenomeno della detonazione si può verificare quando l'accensione è troppo anticipata, quando la temperatura all'interno della camera di combustione è troppo elevata, oppure il rapporto di compressione risulta eccessivo (presenza di notevoli incrostazioni nella camera di combustione), ovvero quando il numero di ottano del carburante insufficiente. Si tratta di una combustione anomala in cui fronte di fiamma raggiunge velocità elevatissime (300 m/s e oltre), dando origine a fenomeni di carattere esplosivi. La detonazione produce delle onde d'urto che, sollecitano gli organi meccanici mettendoli in risonanza, produce un rumorio metallico e quindi l’effetto di “battito in testa”. Le sollecitazioni meccaniche e termiche, se prolungate, sono molte dannose per la vita del motore. Un'altra causa della detonazione è legata alla forma della camera di combustione: il fenomeno si verifica in camere con forma più estesa, in cui una parte della carica fresca può venire a concentrarsi in una zona lontana dal fronte di fiamma. Un altro tipo di combustione anomala è la preaccensione, che si verifica prima che scocchi la scintilla in presenza di temperatura e pressione eccessiva, con effetti analoghi a quella di una accensione eccessivamente anticipata. La causa principale è legata alle eccessive incrostazioni nella camera di combustione (incremento del rapporto di compressione) oppure al funzionamento del motore con miscele troppo povere (incremento delle temperature d'esercizio).
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Combustione normale |
Detonazione |
Preacccensione |
Potenza
Stabilite le caratteristiche fisiche del motore: il numero cilindri, l'alesaggio e la corsa, è necessario ottenere dal propulsore la massima affidabilità e il maggior rendimento possibile. Il rendimento del motore rappresenta l'energia meccanica effettivamente disponibile all'uscita dell'albero motore (utilizzabile per la locomozione) rispetto a quella spesa sotto forma di carburante. Il rendimento complessivo hU del motore è il risultato complessivo di due aspetti ben distinti che caratterizzano il funzionamento di ogni motore a combustione interna: la quantità d'energia che si libera a seguito dalla reazione fra carburante e aria ad ogni ciclo compiuto nella camera di lavoro e l'efficienza con cui gli organi meccanici del motore consentono di trasformare quest'energia in moto.
Indicando con "Pu" la potenza utile all'uscita dell'albero motore si avrà:
con: 
dove: "mb" è la quantità di combustibile per ciclo e per cilindro, "ncicli" è il numero di cicli, "i" è il numero di cilindri, "Eu" è l’energia utilizzabile. Con ottima approssimazione si può ritenere:
Ovvero pari al potere calorifero a pressione costante riferito alla temperatura ambiente. I moderni motori a benzina sono dei pessimi trasformatori di energia: nella migliore delle ipotesi soltanto il 30% dell'energia potenziale contenuta nel carburante consumato è convertito in energia meccanica. La restante parte viene persa sottoforma di calore sottoforma di energia residua nei gas di scarico e energia ceduta all'impianto di raffreddamento. L'energia resa disponibile dal motore nasce dalle trasformazioni che la carica (miscela fresca) subisce all'interno del cilindro. Si tratta in sostanza di una serie di processi con una sequenza ben definita che modificano la temperatura e la pressione dei gas: nei motori alternativi questo insieme di processi prende il nome di ciclo.
Misure del motore
Il movimento rettilineo alternato del pistone all'interno del cilindro si avviene tra due punti estremi ed opposti: il PMS (punto morto superiore) ed il PMI (punto morto inferiore), la distanza fra i due punti si chiama corsa ‘C’. Un'altra importante misura è l'alesaggio ‘D’, ossia il diametro del cilindro. La corsa e l'alesaggio definiscono la cilindrata unitaria Vu del motore, definita come il volume spazzato dal pistone durante il movimento:
Nel caso di un motore monocilindrico, la cilindrata unitaria Vu corrisponde alla cilindrata totale del motore. Nel caso di motori pluricilindrici, la cilindrata complessiva equivale a quella unitaria moltiplicata per il numero i dei cilindri.
Altre misure importanti sono il raggio di manovella ‘R’, corrispondente a metà della corsa del pistone, e la lunghezza della biella ‘L’.
Si definisce poi “rapporto di compressione” la misura del grado di compressione che la miscela fresca ha subito al termine della fase di compressione. Si tratta di un valore teorico fornito dalla relazione:
Dove "Vu" è il volume del cilindro e "Vm" è il volume della camera di scoppio.
Coppia e Potenza
La coppia è il prodotto di una forza misurata in Newton (N) e una lunghezza misurata in metri (m). Gli sforzi di torsione non possono essere descritti parlando semplicemente di forza. E' necessario riferirsi alla distanza, rispetto all'asse di rotazione, cui viene applicata la forza. Infatti raddoppiando il braccio di leva si ottiene, a parità di forza, una coppia doppia. Per trasmettere il moto rotatorio da un organo ad un altro possono essere impiegati diversi sistemi, ad esempio gli ingranaggi. Essi utilizzano delle corone circolari sulle quali sono ricavati dei denti; il contatto fra il dente di una corona e il dente della vicina trasmette la forza, che diventa quindi una coppia poiché i denti sono posti ad una distanza prefissata dal centro di rotazione. Questa distanza corrisponde al raggio dell'ingranaggio, valore che influisce sul valore della coppia; modificando infatti i due raggi si otterranno diversi valori della coppia trasmessa. Se i due raggi delle ruote sono uguali la coppia trasmessa sarà uguale, se invece il raggio della ruota motrice è minore del raggio della ruota condotta allora la coppia cresce in maniera proporzionale al rapporto r2/r1. Utilizzando questo metodo si incrementa la coppia, a scapito però della velocità a cui avviene lo scambio. Dal punto di vista fisico il lavoro è il prodotto di una forza per uno spostamento e si definisce potenza il lavoro compiuto nell'unità di tempo. La potenza erogata dal motore non può essere fatta variare per mezzo di dispositivi come il cambio o in generale utilizzando degli ingranaggi; questi dispositivi possono però fungere da moltiplicatori di coppia. Innestando una marcia bassa si ottiene infatti una coppia motrice più alta di quella prodotta dal motore, a discapito della velocità di rotazione che risulterà minore di quella dell'albero a gomiti. Nel motore la coppia è prodotta dalla forza, esercitata sul pistone dai gas presenti nel cilindro, applicata alla manovella dell'albero a gomiti. Né la forza né la lunghezza della manovella sono però costanti nel tempo: la forza varia in base alle fasi del ciclo, il braccio della manovella varia in funzione degli angoli che la biella assume durante la rotazione dell'albero motore, rispetto alla manovella e all'asse dei cilindri. Nei motori automobilistici la coppia riferita ad un solo cilindro ha un andamento variabile e irregolare (valori negativi nella fase di compressione) e quindi ogni costruttore automobilistico preferisce avere almeno due cilindri. Per ogni motore la casa automobilistica indica la curva di coppia in funzione del regime di rotazione. La misura viene realizzata in appositi banchi a diversi regimi di rotazione, con la farfalla completamente aperta, in modo da ottenere in ogni condizione il massimo rendimento del motore (il motore viene tenuto sotto carico). La coppia massima corrisponde al regime in cui il motore riesce ad aspirare la maggior quantità di miscela fresca per ciascun ciclo, producendo quindi la massima forza sul cielo del pistone. Un altro dato fornito dal costruttore è la curva caratteristica della potenza, anch'essa in funzione della velocità di rotazione.
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Curve caratt. di un motore stradale |
Curve caratt. di un motore di Formula 1 |
Si può notare come questa curva tenda a crescere anche quando la curva della coppia, oltre un certo numero di giri, tende a decrescere. Questo è legato infatti all'aumentare del regime di rotazione: fino ad un determinato numero di giri il tempo in cui si svolge il ciclo si riduce in misura maggiore di quanto diminuisca il lavoro compiuto nel corso del ciclo stesso. Incrementando ulteriormente il regime di rotazione il lavoro prodotto si riduce drasticamente provocando una decisa flessione della curva di potenza.
Ciclo teorico e reale
Tramite il movimento del pistone la carica viene compressa e quindi sottoposta ad un aumento di temperatura (nel caso ideale ciò avviene senza cessione di calore all'esterno), fino al punto in cui il pistone giunge al punto morto superiore. In queste condizioni, in cui la carica (in teoria) è perfettamente isolata dall'ambiente esterno, avviene l'apporto di una notevole quantità di calore, ottenuto dalla combustione della miscela a volume costante. La temperatura della carica subisce un repentino incremento ed il risultato è un deciso aumento della pressione all'interno della camera di lavoro. Ha inizio in questo punto l'unica fase attiva del ciclo: i gas spingono il pistone, il volume della camera cresce, i gas si espandono e si raffreddano. Il prodotto fra la pressione (forza per unità di superficie) e lo spostamento del pistone (variazione di volume nella camera di lavoro) fornisce come risultato il lavoro. Osservando il diagramma del ciclo teorico si intuisce come il lavoro utile sia rappresentato dall'area racchiusa nella curva che descrive il ciclo, che dipende essenzialmente dalla quantità di calore fornita durante la combustione, dalla differenza fra il volume massimo e il volume minimo assunti dalla camera di lavoro e dalla quantità di calore ceduta all'ambiente esterno alla fine del ciclo. Quest'ultima operazione è comunque necessaria per riportare il ciclo nelle condizioni iniziali. Il lavoro speso per effettuare il ciclo è rappresentato dall'area 1.2.5.6 e viene naturalmente sottratto nel computo del lavoro complessivo. I cicli che si realizzano nei moderni motori sono diversi da quelli teorici: le notevoli sollecitazioni meccaniche e termiche impongono l'impiego di materiali metallici, che non consentono di isolare termicamente le pareti della camera di lavoro con l'ambiente esterno. In alcuni punti si raggiungono temperature tali da imporre la necessità di un efficace sistema di raffreddamento, senza il quale non sarebbero garantite la durata e il coretto funzionamento del motore. Le fasi di compressione ed espansione, che in teoria dovrebbero svolgersi senza scambio di calore con l'esterno, risultano quindi penalizzate così come lo stesso processo di combustione; quest'ultimo richiede tempi notevolmente lunghi rispetto alla durata complessiva dei rispettivi cicli. Per ottenere l'incremento di pressione e temperatura previsti è quindi necessario anticipare considerevolmente l'inizio della combustione, ciò però non impedisce che parte dell'energia disponibile venga dispersa attraverso la cessione di calore con l'esterno.
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Ciclo Teorico |
Ciclo Reale |
Rapporto di compressione
Il rapporto di compressione influenza notevolmente il rendimento termico. Il rapporto di compressione, infatti, determinando la riduzione del volume della camera di lavoro influisce sulle pressioni e sulle temperature ottenibili nel corso della combustione, ovvero sulla quantità di energia acquisibile dalla carica. Questo rende particolarmente interessanti, dal punto di vista energetico, i motori che hanno rapporti di compressione elevati. La necessità di contenere i consumi ha quindi portato le case automobilistiche ad adottare proprio rapporti di compressione elevati, con conseguenze sulla forma della camera, sulla turbolenza che si crea all’interno della essa e sulla posizione della candela, oltre alle dimensioni della camera stessa (alesaggio del motore). Estremamente importante risulta essere il rapporto superficie/volume della camera di combustione, poiché quanto maggiore è l'estensione delle pareti metalliche che vengono a contatto con i gas quando questi raggiungono la temperature più elevate, tanto maggiore sarà la quantità di calore ceduta alle pareti. In queste condizioni aumenterà la quantità di energia che non può essere utilizzata, ovvero trasformata in energia meccanica. Si può notare come il rendimento di un motore diesel sia maggiore di quello di un motore a ciclo Otto; questo dipende infatti dal rapporto di compressione, che in un motore diesel è normalmente maggiore. Nei motori otto è impossibile superare un determinato rapporto di compressione (dell'ordine 11-12 circa) oltre il quale si verificherebbe la auto-detonazione della benzina.
Coefficiente di riempimento della camera
Un importante parametro su cui lavorare al fine di incrementare la potenza è il coefficiente di riempimento della camera, definito come:
Dove: " ma" è la massa dell'aria, " V" è la cilindrata unitaria, "ra" è la densità dell'aria. Il coefficiente di riempimento della camera indica quanto si riempie il cilindro: a parità di cilindrata tanto maggiore è lV tanto maggiore sarà la potenza del motore. Di norma lV risulta essere un valore minore dell'unità (circa 0.8-0.9); valori maggiore dell'unità rappresentano fenomeni di risonanza nel condotto di aspirazione (dannosi per il motore). Il coefficiente di riempimento lV è influenzato dagli effetti di laminazione all'aspirazione e allo scarico, dagli scambi di calore con le pareti, dal rifiuto (o riflusso) di fluido motore ed in generale dai fenomeni dinamici all'aspirazione e allo scarico.
Dosatura del motore
Il rendimento termico è influenzato notevolmente dal valore della dosatura del motore, che viene definita come:
Dove "ma" è la massa d'aria e "mb" è la massa di combustibile. Mentre le massime potenze si ottengono con miscele ricche (ovvero con eccesso di benzina) dove a<14, il rendimento termico migliore si ottiene con miscele leggermente povere con a>14.
Rendimento meccanico
Esso è definito dal rapporto tra il lavoro effettivamente prelevabile al volano del motore "LU" e quello che viene prodotto all'interno dei cilindri "Li":
Le perdite meccaniche possono essere divise in perdite per attrito ed in perdite per pompaggio. Le perdite per attrito sono quelle dovute al movimento dei diversi organi, quelle necessarie per azionare i vari gruppi accessori (pompa dell'olio e quella dell'acqua), per la distribuzione e quella causate dall’effetto di freno dell’olio (effetto “freno olio”). Le perdite per pompaggio sono legate all’assorbimento del gruppo pistone/segmenti allorché il motore si comporta come una pompa nelle fasi passive del ciclo (ovvero quando viene aspirata la carica nel cilindro e quando vengono espulsi i gas di scarico). Il rendimento meccanico è quindi influenzato dalla conformazione e dal dimensionamento dei vari organi, dalle temperature e dalle caratteristiche del sistema di lubrificazione. E' compito del progettista quello di cercare di ridurre al minimo tali perdite, in modo da migliorare il bilancio del motore. In generale le perdite meccaniche sono distribuite: 44% per attrito pistone-segmento cilindro, 20% per perdite di pompaggio, 8% per l’azionamento distribuzione, 6% per azionamento pompa dell'acqua dell'olio e alternatore, 22% per attrito fra perni di banco e di bielle con i relativi supporti. Le perdite per attrito sono naturalmente legate al rapporto di compressione: maggiori sono le forze che agiscono sugli organi del manovellismo maggiori saranno infatti le perdite.
Rendimento effettivo
Esso è definito dal prodotto tra il rendimento termico "hq", il rendimento meccanico "hm" e il rendimento del ciclo limite (ciclo teorico) "hlim", che per semplicità si può porre uguale al valore "1": hU = hq*hm*hlim. Il rendimento termico hq è influenzato dalle imperfezioni della combustione, intempestività ed incompletezza, dagli scambi di calore con le pareti, dalle fughe di fluido motore e dal lavoro di sostituzione del fluido nel cilindro. Il rendimento meccanica, o organico, hm è influenzato invece dalle forze di attrito dovute alle pressioni dei gas, dalle forze di attrito dovute alle forze d'inerzia ed in generale da tutte le altre forze di attrito e di comando accessorie.
Il motore da competizione
Nel motore da competizione si applicano gli stessi concetti realizzati nei motori commerciali nella forma dei casi limite. Non esiste infatti una vera tecnica riguardo alla costruzione dei motori da competizione, ma si cerca di lavorare su tutti i parametri fondamentali: il numero di giri, l’ottimizzazione della combustione, la riduzione attriti, l’ottimizzazione del riempimento della camera di combustione, la riduzione dello scambio termico nelle pareti della camera di lavoro e la riduzione delle masse degli organi meccanici in movimento. Nei motori da competizione è possibile arrivare a situazioni di maggiore sollecitazione perché, se è vero che i motori di serie devono resistere per diverse migliaia di chilometri (il ciclo di vita di un motore di questo tipo è stimato oltre i 150000 Km), in modo che abbiano un basso consumo (per motivi economici ed ecologici), così che abbiano una percentuale ben definita sul costo totale dell'autoveicolo; nelle competizioni questi limiti non esistono: un motore deve durare al massimo 500 km, non esistono problemi economici, il costo di un motore da formula supera abbondantemente il centinaio di milioni di lire, ed quindi è possibile utilizzare i materiali che l'industria aerospaziale fornisce che nei motori di serie, a causa gli elevati costi, è impossibile utilizzare.
Numero di giri
La potenza massima di un motore è direttamente proporzionale al numero massimo di giri, infatti l’espressione della potenza utile è data dalla:
Dove: "hU" è il rendimento utile del motore, "mb" la massa di carburante per ciclo e per cilindro, "i" il numero di cilindri, "n" è il numero di giri, "m" è una costante (costante che vale "1" per i motori due tempi, "2" per i motori quattro tempi), "Hi" è il potere calorifico del carburante. Negli ultimi anni c'è stata una vera è propria gara per raggiungere il massimo regime di rotazione; se nel 1994 regimi di 14500 giri/min erano considerati qualcosa di incredibile, oggi il regime di un mediocre motore di Formula1 si aggira intorno ai 17000 giri/min, con punte di 18000 giri/min per i motori più prestanti. La ricerca di elevate potenze richiede attenzione nelle definizioni delle cilindrate e dei regimi di rotazione. Si può definire infatti la potenza specifica come:
nella quale il termine "iVu" rappresenta la cilindrata totale del motore. "V" è la velocità media dello stantuffo (che vale "V=2Cn", dove "C" è la corsa del motore ed "n" è il numero di giri), e il rapporto fra corsa e alesaggio viene definito come segue:
tale valore si può ritenere costante e si può arrivare all’osservazione:
ovvero che la corsa è inversamente proporzionale al numero di giri, dovendo essere "n", il rapporto corsa su alesaggio, costante. Si può dedurre quindi che per aumentare il numero di giri è necessario diminuire li valore della corsa; per mantenere però costante il rapporto fra corsa e alesaggio diventa pertanto necessario aumentare il valore dell'alesaggio.
Analizzando la cilindrata si può notare inoltre:
Ovvero che, a pari potenza, all'aumentare del numero di giri la cilindrata deve diminuire. Quest’osservazione giustifica quindi perché a parità di cilindrata un motore che ha un frazionamento maggiore rispetto ad un uno con un numero di cilindri minore risulta avere più potenza (teoricamente un motore 12 cilindri 3000 cm3 ha una potenza maggiore rispetto ad un motore 10 cilindri 3000cm3).
Rapporto di compressione - Parte 2a
Uno dei sistemi per incrementare la potenza passa attraverso l'aumento del rapporto di compressione; il motore, sotto alcuni aspetti, è infatti una pompa che aspira la carica. A causa delle perdite di carico lungo i condotti la pressione può subire un calo, con il risultato che il pistone, salendo all’inizio della fase di compressione della miscela, si muove per una parte della sua corsa senza realizzare grandi lavori: il rapporto di compressione effettivo viene ad essere grandemente diminuito. Di norma, alzando il rapporto di compressione di un punto si può ottenere un incremento di potenza di almeno il 15-20%, valore significativo rispetto al lavoro effettuato. In un motore da competizione, che normalmente monta un albero a camme con un grande incrocio e lunghe fasature , prima che entrambe le valvole siano chiuse il pistone è già salito e pertanto la fase di compressione inizia decisamente più tardi. Pertanto in un motore, che abbia un albero a camme con una fasatura piuttosto larga, l'aumento del rapporto di compressione di due o tre punti produce un grande effetto sulla potenza.
Effetto dinamico o Ram Jet
Nelle preparazioni sportive riveste una grande importanza l'effetto Ram Jet, in special modo quando si abbia un collettore separato per ogni cilindro, sia nel caso dell'alimentazione a carburatori che ad iniezione. Questo effetto si può manifestare all'interno di tutte le tubazioni percorse da un fluido ed è noto, nelle tubazioni contenti acqua, con il nome di colpo d'ariete.
Nei collettori di aspirazione di un motore si studia in tutti i modi come sfruttare questa onda di pressione, in modo da arrivare ad avere un'alimentazione quasi forzata. Il principio di funzionamento dell’effetto dinamico deriva dalle osservazioni fluidodinamiche: quando si apre la valvola di aspirazione si forma una colonna d'aria in movimento verso la valvola, nel momento in cui la valvola si chiude questa colonna in movimento comprime la parte d'aria in prossimità della valvola e si crea un'onda di pressione che oscilla lungo il condotto di aspirazione ad una velocità equivalente a quella del suono, nell'ordine quindi dei 300m/s.
Se si riesce a mettere in fase questa onda, che oscilla avanti e indietro lungo il condotto di aspirazione, in modo che la pressione risulti positiva nel momento in cui si apre la valvola, si otterrà in quel momento una sovrapressione che aiuterà il riempimento dei cilindro. La lunghezza del condotto tale da produrre il momento di sovrapressione nell'attimo in cui si apre la valvola è quindi fisso una volta fissato il regime di rotazione: più sono lunghi i condotti, più l'effetto di sovrapressione si verificherà ad un regime basso, e viceversa. Per questo motivo in formula uno sono stati adottati tromboncini di aspirazione variabile, che variano la propria lunghezza in funzione del regime di rotazione. La pressione dinamica è pari al quadrato della velocità relativa, moltiplicato per una costante di densità e divisa per due; considerando il valore di 1bar per la pressione atmosferica, a trecento all'ora si ottengono 45millibar di sovrapressione. Questo valore è però solo teorico: poiché entrano in ballo altri fattori, come la temperatura (l'aria più fredda, ha densità maggiore), la forma dell'airscoop (per questo motivo negli ultimi anni si perdono molte ore in galleria del vento per definire questo particolare) e l'effetto schermo dato dalla testa del pilota, soprattutto se è alto. Per via di questi problemi i millibar di sovrapressione si riducono ad una ventina, inoltre per il calcolo del ram jet si deve studiare un'opportuna forma del condotto per incrementare la potenza. A trecento all'ora, si arriva quindi ad un guadagno del 3.2%-3.5%, che per potenze odierne di 800CV sono pari quasi a 30CV.
Coefficiente di riempimento - Parte 2a
Il coefficiente di riempimento influisce sul valore della potenza utile attraverso il rendimento volumetrico del motore; il valore della potenza dipende infatti da "h" secondo la:
e ricordando la definizione di coefficiente di riempimento:
E’ possibile scrivere la potenza utile in funzione di tale coefficiente:
Il coefficiente di riempimento della camera indica quanto si riempie il cilindro pertanto, a parità di cilindrata, quanto maggiore sarà il coefficiente di riempimento, tanto maggiore sarà la potenza del motore. Le operazioni necessarie per aumentare il coefficiente di riempimento sono quelle che permettono di realizzare condotti di aspirazione più rettilinei possibile. I condotti, secondo vecchie teorie, devono essere perfettamente lucidati al loro interno in modo da evitare qualsiasi ostacolo alla miscela che entra nella camera di lavoro. Secondo altre teorie invece la superficie dei condotti dovrebbe avere differenti rugosità a seconda delle zone per favorire la miscelazione della benzina spruzzata nell'aria. Ottimi risultati inoltre vengono ottenuti esasperando gli studi sulle forme della camera di combustione. Tali studi sono volti a fornire al flusso della miscela aria-benzina un particolare moto vorticoso. In questo modo è possibile ottenere un rendimento volumetrico migliore per via della migliore combustione che si genera attraverso l’aumento della velocità di propagazione della fiamma. Importante anche l'adozione dei tromboncini a geometria variabile di cui abbiamo parlato alla pagina "Aspirazione". Si tratta di una soluzione che permette di ottenere un coefficiente di riempimento migliore, a qualsiasi regime di rotazione, evitando l'inconveniente del riflusso della miscela agli alti regimi di rotazione.
Modifiche strutturali sul motore
I motori da competizione differiscono dai motori di serie per svariati motivi, innanzitutto la distribuzione è normalmente a due alberi a camme in testa, con quatto valvole per cilindro (in alcuni casi cinque). L'adozione di due alberi a camme in testa consente infatti di ridurre al minimo il numero di componenti interposti tra ogni valvola e l'eccentrico che le impartisce il moto. Questo significa ridurre l'inerzia dei componenti in moto alterno che quindi, a parità di sollecitazioni meccaniche, potranno raggiungere regimi di rotazione più elevati.
Per eliminare poi le deformazioni elastiche anomale delle molle di richiamo delle valvole si usa oggigiorno un sistema di richiamo pneumatico: la valvola di richiamo è eliminata e il suo posto si utilizza una sacca di un gas speciale ad altissima pressione che permette di ridurre gli attriti e di evitare le sollecitazioni che si avrebbero con regimi di rotazione così alti.
L'adozione delle quattro valvole per cilindro si spiega alla luce delle più ampie sezioni di passaggio ottenibili, che assicurano una migliore respirazione del motore alle alte velocità e quindi potenze maggiori. Inoltre in questo modo ciascuna delle valvole risulta essere di dimensioni più contenute rispetto a quelle che si avrebbero con l'uso di due sole valvole per cilindro. Di conseguenza il loro peso viene contenuto e quindi anche l'inerzia dei vari componenti in moto alterno.
La distribuzione a quattro valvole consente di ridurre le sollecitazioni termiche alle quali sono sottoposte le valvole di scarico. Le quattro valvole per cilindro sono di norma disposte con un'inclinazione compresa tra i 20° e 45°; la camera di combustione viene in questo modo ad assumere una compatta conformazione a tetto, con il tetto del pistone perfettamente piano anche in presenza di occasione di rapporti di compressione elevati, con la candela posta centralmente a tutto vantaggio del rendimento termico.
I pistoni sono d'altezza decisamente ridotta rispetto al diametro, in modo da ridurne il peso e le perdite per attrito. Per questi stessi motivi sono sempre dotati di ampie sfiancature laterali o addirittura di un mantello ad H. Di norma i segmenti sono due ma non mancano esempi di pistoni con un solo segmento; soluzione che consente di ottenere una diminuzione delle perdite meccaniche, che agli alti regimi diventano molto rilevanti. A livello di manovellismo, oltre alla cura necessaria nel disegno e nel dimensionamento delle varie parti dell'albero a gomito delle bielle, è da notare l'adozione di particolari bronzine in grado di sopportare elevati carichi anche ad elevate temperature di lavoro.
Le bielle sono spesso in titanio, materiale dalle notevoli caratteristiche meccaniche, che ha un peso molto contenuto ed un costo elevatissimo (fattore che ne ha sempre confinato l'uso all'industria aerospaziale).
Nei motori da competizione si è verificato un particolare allungamento delle bielle: questo ha consentito di ridurre le accelerazioni dei pistoni e di contenere le spinte laterali trasmesse alle pareti dei cilindri e di poter avere, grazie alla maggiore permanenza del pistone in prossimità del pms, una combustione che si avvicina di più a quella teorica a volume costante.
L'albero a gomiti normalmente si ottiene dal pieno di un acciaio ad elevatissima qualità, per resistere all'usura ed incrementare la resistenza a fatica viene poi sottoposto a speciali trattamenti chimici (nitrurazione, sulfinizzazione). 
Di grande importanza è il fatto che l'albero venga supportato adeguatamente e che, anche nelle condizioni più esasperate, i supporti al banco rimangono allineati; per questo motivo il basamento deve essere molto rigido.
Il basamento è, di norma, in alluminio con le canne dei cilindri anch'esse in alluminio o, in alternativa, in acciaio speciale. La lubrificazione utilizza il sistema a carter secco; non esiste una coppa dell'olio, ma l'olio viene raccolto in un apposito contenitore e quindi inviato nel sistema di lubrificazione per mezzo di pompe di recupero.
L'alimentazione di questi motori, ad iniezione, prevede che il carburante venga spruzzato direttamente nei condotti di aspirazione caratterizzati, oltre che da un rilevante diametro, anche da un andamento perfettamente rettilineo e da prese d'aria a trombetta di grandi dimensioni.
Il sistema di scarico ha anch'esso una grande importanza ai fini delle prestazioni ottenibili: nei propulsori aspirati infatti accordando opportunamente il sistema, costituito da una serie di tubi di lunghezza opportunamente calcolata, è possibile sfruttare non solo l'inerzia delle colonne gassose ma anche le pulsazioni di pressione, in modo da ottenere ulteriori miglioramenti del rendimento volumetrico.
L'angolo fra le bancate viene di norma mantenuto fra i 70° e gli 80° allo scopo di contenere la lunghezza del propulsore.