La pressione media effettiva è legata alla reale pressione con cui i gas combusti spingono il pistone e quindi con la coppia erogata. La pme permette anche di riassumere in un unico parametro della bontà con cui è progettato il motore dal punto di vista chimico, fisico e fluidodinamico, cioè con quale efficienza questo riesce a fruttare l'energia del combustibile.

Entriamo nello specifico, per rendere evidenti i parametri da cui dipende la pme, che si possono riassumere tramite la seguente formula, per poi poter analizzarne ad uno ad uno.

Q_is : Calore ideale specifico

Q è il massimo valore, quello ottenibile solo in teoria e per questo ideale, del calore che può essere rilasciato dalla benzina e dell'aria, in una combustione perfetta in cui tutto il carburante e tutto l'ossigeno, si siano combinati generando calore. E' specifico perché vale per unità di volume. Cioè non si tiene conto della quantità di volume di miscela interessata dalla combustione. Per trovare il calore massimo teorico generabile nel motore per ogni ciclo va moltiplicato per la cilindrata, che è il volume teorico di miscela che dovrebbe riempire i cilindri dopo l'aspirazione. E' quindi l'energia massima disponibile per la generazione di lavoro utile. Gli altri termini dell'equazione precedentemente sono dei termini "correttivi" che tengono conto del reale funzionamento del motore.

Il Q_is dipende, soprattutto, dalla caratteristiche del combustibile, perchè ogni sostanza nella combustione rilascia quantità di calore differenti. Il potere calorifico riassume questo concetto, essendo il calore teorico per unità di massa di combustibile. Il Q_is dipende anche dalla quantità teorica di combustibile che entra per ogni unità di cilindrata (ad esempio 1cc) , e questo è fornito dal rapporto tra la densità e a_t.

Quindi l'espressione che esprime il Q_is è quella qui sotto :

r_o : Densità dell'aria in condizioni ambiente
a_t : Rapporto aria/combustibile teorico
H_i : Potere calorifico

Riporto per completezza la dimostrazione che Q_is, appena definito, è davvero il calore teorico per unità di cilindrata.

l_vt : Coefficiente di Riempimento o Rendimento volumetrico effettivo

Il coefficiente di riempimento tiene conto di quanta benzina e aria riesce ad essere aspirata e intrappolata nel cilindro dopo la chiusura di tutte le valvole, cioè quella che va ad essere interessata dalla combustione. E' chiaro che più è grande questo valore e più energia sarà disponibile per la conversione in coppia ad ogni ciclo. l_vt corregge quindi il valore di Q_is esprimendo il calore massimo ottenibile della quantità che realmente viene bruciata. l_vt è il prodotto dei seguenti rendimenti:

Rendimento Volumetrico totale:
E' il rapporto tra la massa d'aria che realmente entra nel cilindro, cioè quella aspirata (m_at = massa aria totale) e la massa d'aria che idealmente dovrebbe entrare (m_aid = massa aria ideale). La massa d'aria ideale (valore costante di riferimento) è la quantità d'aria, che alla pressione atmosferica (cioè la normale aria all'esterno del veicolo, da cui il motore aspira), riempie il volume del motore, cioè la cilindrata unitaria ( r_o^.V_u ).

Rendimento di Intrappolamento:
Parte più o meno importante di aria e combustibile che riempie il cilindro alla fine dell'aspirazione può essere perduta attraverso le valvole di scarico durante l'incrocio o trafilare dalle stesse, durante la compressione, poichè non garantiscono una tenuta perfettamente stagna.
E' definito come il rapporto tra la massa d'aria che brucia, quindi quella intrappolata ( m_ac ) e quella aspirata ( m_at ).

Quindi nel complesso possiamo dire che il coefficiente di riempimento, ci dice quanta massa di carburante viene bruciata rispetto alla quantità di riferimento:

C'è da fare una piccola precisazione. La definizione parla di massa d'aria, in realtà bisogna intendere di massa aria e combustibile, ma poiché il rapporto tra aria e benzina è costante, le due cose possono essere confuse senza commettere errori, purchè si sia coerenti con la definizione scelta.

La definizione di pur semplice di l_vt, nasconde al suo interno moltissimi fenomeni, e il suo valore rapprensenta nel bene e nel male, uno degli aspetti più importanti, studiati e difficili che ci sia in un motore e sul quale si concentrano i maggiori sforzi del progettista per incrementare le prestazioni. Come è possibile vedere, nella apposita pagina, i motivi principali per cui il riempimento del motore non mai uguale a quello teorico risiede principalmente in questi fenomeni:

- I gas scorrendo nei condotti del motore (che sono molto caldi), si riscaldano e si espandono, così che la massa reale di carburante ed aria che rimane dentro il cilindro all'inizio della compressione è minore, che se fossero alla densità, pressione e temperatura atmosferica.

- Il  sistema di condotti e valvole che costituiscono l' aspirazione creano una resistenza allo scorrere dei fluidi, così che alla fine dell'espansione la pressione nel cilindro è minore di quella atmosferica e quindi i gas sono più rarefatti e quindi con minor massa a parità di volume. (nel complesso si parla di "perdite di carico")

- I gas combusti rimasti intrappolati nella camera di combustione detto anche spazio morto, sono a pressione elevata e quindi quando inizia l'aspirazione questi si espandono occupando parte dello spazio delle cilindrata riducendo lo spazio utile per l'ingresso della carica fresca.

- Il moto alterno del pistone genera nei condotti di aspirazione e scarico delle onde che trasportano massa e informazioni di pressione.

Per i motori aspirati, cioè quelli in cui è, il pistone a succhiare l'aria dall'esterno, con la sua corsa verso il basso, il valore del coefficiente di riempimento, nei motori normali, è  sempre minore di 1, spesso si arriva ad un massimo dello 0.8, in corrispondenza della coppia massima. Ciò significa che, quando va bene, si riesce a far entrare il 20% di benzina in meno di quello teorico, e quindi si produce il 20% di calore in meno e in ultima istanza un 20% di coppia in meno. Quello che distingue un motore normale da un motore da competizione è proprio la capacità di quest' ultimo di raggiungere, grazie al corretto sfruttamente delle onde, valori massimi di l_vt anche superiori ad 1.2 .

Per i motori sovralimentati tutto si risolve molto semplicemente, in quanto il turbo consiste nel mettere una pompa che autonomamente succhia l'aria dall'esterno, la comprime e la spara dentro il cilindro, ottenendo valori di l_vt estremamente alti, ottenendo rendimenti volumetrici anche molto maggiori di 1. (vedere specifica pagina)

Massimizzare il coefficiente di riempimento, provoca una massimizzazione della pme e quindi della potenza. Per far questo si può massimizzare la massa d'aria che entra nel cilindro o limitare al minimo le perdite di carica fresca. Schematizzando molto il problema si può dire che il primo problema consiste nel dimensionare ed accordare in modo corretto l'impianto di aspirazione, cioè condotti e valvole. Il secondo problema è relativo alla fasatura, cioè alla corretta scelta degli anticipi e ritardi di apertura e chiusura.

Voglio solo aggiungere che la farfalla del gas, che è comandata dal pedale dell' acceleratore, non fa altro che far variare il l_vt. Infatti la valvola a farfalla è un' ostruzione variabile del condotto, che più è chiusa e più impedisce ai gas di passare, cioè genera una grande perdita di carico (come respirare tramite una cannuccia. Che fatica!). Quando è tutta chiusa il motore si spenge perchè non passa nulla, quando è tutta aperta il motore può respirare liberamente e la quantità di combustibile aspirato è massima. In realtà la farfalla non si chiude mai perchè il motore deve rimanere sempre acceso e quindi c'è un fermo che lascia un piccolo spiraglio aperto e questa posizione corrisponde al funzionamento di "minimo" del motore.

h_t : Rendimento termodinamico complessivo

Questo termine, nel suo complesso, tiene conto di quanta parte del calore massimo ottenibile dalla benzina e aria immagazzinata nel cilindro, è resa disponibile per generare il lavoro utile di un ciclo. Cioè rappresenta il rendimento di tutti i contributi termodinamici, espressi a loro volta da rendimenti specifici. Il rendimento termodinamico complessivo è il prodotto dei seguenti rendimenti:

Rendimento di Combustione: Il calore generato nella camera di scoppio non è quello massimo ottenibile a causa della velocità, della geometria e del miscelamento non ottimali che si hanno nel motore. Infatti le condizioni in cui la miscela di aria e benzina si trova a bruciare sono nella camera di scoppio estremamente lontani dalle condizioni ideali nelle quali la benzina è capace di liberare tutta la sua energia.
E' definito dal rapporto tra il calore liberato e quello ideale , considerando la reale massa che brucia.

Rendimento di Adiabaticità: Parte del calore generato se ne va tramite le pareti del motore, e non partecipa alla genrazione di lavoro utile. (infatti il motore si scalda e deve essere raffreddato).
E' espresso dal rapporto tra il calore che partecipa e quello liberato dalla combustione

Rendimento Ideale di ciclo: E' il rendimento del ciclo OTTO teorico di riferimento, che elabora un gas perfetto.  Questo rendimento è particolarmente influenzato dal valore del rapporto compressione, cioè del rapporto tra il volume totale del motore (cilindrata + volume residuo nella testa) e il volume residuo nella testa. Più è alto il rapporto di compressione e più è grande valore di questo rendimento.
E' definito come il rapporto tra il lavoro ideale del ciclo OTTO ideale e il calore che effettivamente partecipa al ciclo.

Rendimento Rendimento Limite: Tiene conto di quanto si perde compiendo un ciclo OTTO nel quale elabora non gas non perfetto come l'aria. Il ciclo con aria si chiama LIMITE.
E' definito come il rapporto tra il lavoro fornito dal ciclo limite ed il lavoro fornito dal ciclo ideale

Rendimento Indicato: E' la capacità del motore di avvicinarsi al ciclo LIMITE.
E' definito come il rapporto tra il lavoro fornito dalla parte positiva del ciclo reale ed il lavoro fornito dal ciclo limite.

Rendimento Pompaggio: Tiene conto del lavoro che compie il motore per aspirare ed espellere i gas freschi o combusti nelle fasi di aspirazione e scarico.
E' espresso dal rapporto tra il lavoro del lavoro fornito dal ciclo totale, e il lavoro compiuto dalla parte positiva del ciclo (compressione, scoppio, ed espansione).

h_o : Rendimento organico

Questo termine rappresenta il rendimento meccanico di tutti gli organi del motore e ad esso collegati e che da esso traggono potenza per funzionare. Infatti il motore, oltre a dissipare una certa quantità di energia per attrito al suo interno, come lo strisciamento del pistone nel cilindro, ha bisogno per funzionare di una serie di altri meccanismi ausiliari. Gli organi che assorbono potenza al motore sono i più vari. Alcuni, però, sono indispensabili al funzionamento, altri non lo sono affatto. Ad esempio se la potenza si intende erogata alla ruota, vanno contati anche l'aria condizionata o la pompa del servosterzo o il generatore che fornisce corrente ai fari, all'autoradio o al tergi-cristallo.

Questo come tutti i rendimenti si esprime in percentuale. Il 100% si avrebbe per un motore ideale privo di attriti e privo di organi aggiuntivi, nella pratica però può assumere anche valori molto bassi. Ad esempio in una f1 moderna da 850 Cv all'albero, pur nella sua semplicità e con ogni elemento ridotto al minimo indispensabile, la potenza dissipata per attrito è circa 150 Cv, cioè il motore genera 1000 Cv e poi il 15% di essi si brucia solo tra il pistone e l'albero.
Anche il cambio, la trasmissione, il differenziale dissipano moltissima energia.  Se in motore da corsa, la potenza tra motore e ruota si può ridurre solo all' 80-90% (cioè si perde il 10-20%), per una vettura normale, si può scendere sotto il 50% (cioè si perde più della metà della potenza fornita dal motore).

Per questo, grande cura, viene riservata dai progettisti nello studio dei dettagli meccanici del motore. Specie nelle competizioni anche un piccolo miglioramento può fare la differenza, e questo giustifica gli sforzi economici e tecnici nella ricerca di materiali e soluzioni sempre più raffinate. Tra le parti meccaniche più delicate voglio ricordare, le fasce elastiche e il mantello del pistone, responsabili dello strisciamento col la canna del cilindro, i cuscinetti che sorreggono l'albero o che permettono i movimenti delle bielle, la distribuzione che è composta da organi ruotanti (alberi camme) e pulsanti (valvole) e che richiedono molta energia per essere trascinati, oltre a dissiparne molta nei supporti e nei contatti striscianti e l'impianto di lubrificazione e di raffreddamento.

Considerazioni sulla pme

Il Q_is rappresenta quindi il limite massimo teorico al quale si cerca di tendere quando si progetta e si costruisce un motore, lavorando sui rendimenti e sul coefficiente di riempimento. Cioè se non ci fossero meccanismi ausiliari e attriti, se la combustione fosse perfetta, e non si disperdesse alcuna frazione di calore, tutta l'energia concentrata nella benzina potrebbe essere usata per spingere il veicolo, al contrario di quella piccolissima parte che si riesce a sfruttare nei motori reali. La pme sintetizza in un solo numero tutto questo.

E' importante, adesso, chiarire perchè si chiama di pressione media effettiva. Infatti se escludiamo il termine del rendimento organico, gli altri termini rappresentano la pressione media indicata (Pmi), che non è altro che quella pressione che se agisse in modo costante sul pistone per tutta la fase di espansione produrrebbe la coppia di un ciclo. Cioè, un pò, come per la velocità media del pistone, la pmi rapprensenta la media del carico che preme sul pistone durante l'espansione, anche se sappiamo che la pressione è massima all'inizio della combustione e minima alla fine dell'espansione.

NB: la pressione per la superficie del pistone da la forza con cui il pistone è premuto verso il basso. Tramite la biella e la manovella questa forza è trasformata nella coppia.

Questa distinzione tra pmi e pme è dovuta al fatto che dal punto di vista di noi utilizzatori della potenza ci interessa quella che il motore riesce a fornire e quindi interessa la pme, mentre per valutare lo stress a cui sono sottoposti gli organi meccanici bisogna riferirsi alla pmi. Ovviamente la pmi è maggiore della pme poichè parte di questa viene dissipata dagli organi meccanici ausiliari prima di poter essere disponibile per spingere il veicolo. Cmq potremmo definire la pme come quella pressione che se agisse in modo costante sul pistone per tutta la fase di espansione produrrebbe la coppia disponibile di un ciclo.

Quindi dovrebbe essere ovvio a questo punto che la pme e la coppia sono strettamente legate. E questa reazione lo rende evidente:

Dove : M è la coppia, V è la cilindrata, 4p è una costante

In ultima analisi questa relazione ci fa vedere la reale natura della Pme. Questo vuol dire che essendo la cilindrata una costante, la coppia e la pme sono la stessa cosa ma in scala l'una dell'altra. Ciò significa che tutti i parametri che influenzano la pme influenzano anche la coppia e in secondo luogo che due motori di ugual pme hanno andamenti di coppia identici, ma semplicemente scalate della cilindrata. Da questo segue che mentre sono impossibili da confrontare 2 curve di coppia su motori di cilindrate differenti, confrontare la pme permette di capire quale dei due motori è migliore.

Esempi di motori reali

Concludendo si può dire che la Pme è un indice sintetico del livello di esasperazione del motore, così che come si è fatto per la velocità media del pistone, si possono individuare fasce di motori a seconda del grado di sportività. Per i motori turbo però è il caso di trattarli come una categoria a parte perché come accennato si possono ottenere valori molto alti con relativa semplicità (vedere pagina specifica).