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Le
caratteristiche d'erogazione di un motore possono variare introducendo
alcune modifiche nel lungo percorso che va dalla valvola al terminale di
scarico; un'operazione niente affatto semplice che, per offrire buoni
risultati, richiede una lunga sperimentazione… o una certa esperienza in
materia. |
Principi del
sistema |
Perché sostituendo il
terminale di scarico o il collettore il motore eroga coppia e potenza
diversi per valore e numero di giri? Semplice, almeno a parole, perché il
motore è "vivo": respira! Le modalità con cui inspira ed espira sono
dettate da precise leggi fisiche
e dipendono dalla forma e dalla lunghezza dei condotti di aspirazione e
scarico. Variando le geometrie di un sistema così complesso come quello di
un motore, si riesce a cambiarne, entro certi limiti, anche il
"carattere", cioè l'erogazione.
La vitalità del propulsore, proprio come se si trattasse di un essere
umano, ha a che fare con l'armonia del contesto e ne subisce gli influssi.
Il ritmo con cui vengono scandite le operazioni da compiere nasce dalla
melodia suonata dall'intera orchestra. Gli organi vitali che compongono il
motore, al pari degli strumenti musicali, devono essere perfettamente
"accordati" e puntuali negli interventi per raggiungere la perfezione
dell'insieme. Come avremo modo di vedere, l'accostamento con la musica non
è solo figurativo, le onde sonore e le armoniche giocano infatti un ruolo
fondamentale ai fini del massimo rendimento del propulsore.
Per questa ragione è difficile parlare di aspirazione e di scarico come se
fossero due entità distinte; in realtà non lo sono affatto, anche perché,
ad ogni ciclo, le valvole mettono in comunicazione questi condotti ed i
loro fluidi proprio all'interno del cilindro.
Il motore divora una
massa d'aria impressionante e non potrebbe farlo in modo efficace se non
avesse una buona digestione… Cerchiamo di capire come favorire al meglio
quest'ultima, attraverso un sistema di scarico efficiente, tanto da poter
sfamare il propulsore senza alcun impedimento.
La condizione ideale per agevolare la fuoriuscita dei gas combusti dalla
camera di scoppio (figura 1), consiste nel creare "un vuoto" a ridosso
della valvola di scarico (e contemporaneamente l'esatto opposto su quella
di aspirazione). Ciò determina un "risucchio" che collabora attivamente
alla fase di espulsione della massa gassosa dal cilindro (come se si
trattasse di un aspirapolvere!). Se accadesse il contrario, cioè una
elevata pressione in prossimità della valvola di scarico, si verrebbe a
creare un impedimento alla completa evacuazione dei gas dal cilindro:
insomma, una cattiva respirazione tale da inficiarne il riempimento! Per
realizzare una condizione favorevole, si agisce sulle geometrie del
sistema in modo da sfruttare a proprio vantaggio i fenomeni che si
verificano mentre il motore respira.
La lunga storia che vi racconteremo, vi farà comprendere come accade tutto
ciò e come si può intervenire per correggere qualche difetto. Il più
famoso tra questi è sicuramente il famigerato "buco di carburazione", che
non è altro che una inefficace respirazione del motore ad un determinato
regime di rotazione!
Per semplificare l'argomento cerchiamo di analizzare un motore
monocilindro, poi una volta chiariti alcuni concetti, estenderemo il
discorso a quelli pluricilindro.
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Cosa accade
nel sistema di scarico |
I
fenomeni che vogliamo analizzare iniziano quando la valvola di scarico si
apre e, dal cilindro, fuoriescono spontaneamente i gas esausti. Infatti,
l'elevata pressione e calore che regnano nella camera di scoppio, danno
modo ai prodotti della combustione di defluire naturalmente dal cilindro
verso l'ambiente "esterno". Una piccola porzione di essi, invece, per
mettersi in marcia verso l'ambiente esterno, dovrà attendere la "spinta"
del pistone che viaggia a forte velocità in direzione del punto morto
superiore. L’intera colonna di gas che si è appena formata inizia così il
lungo tragitto nel tubo che la porterà verso l'ambiente esterno. Se non si
verificassero altri fenomeni, questa massa fluida arriverebbe compatta ed
indisturbata a destinazione… ma non è così!
Quando si apre la valvola di scarico, ha contemporaneamente inizio anche
un altro fenomeno: viene generata un'onda di pressione che inizia il suo
viaggio nella stessa direzione dei gas, ma la sua velocità è all'incirca
dieci volte maggiore!
Quest'ultima dunque arriva alla fine del tubo di scarico prima della massa
gassosa e, trovandosi di fronte l'ambiente esterno (che determina un salto
di volume e di pressione notevole), torna indietro cambiando di segno
trasformandosi in depressione (cioè una pressione che viaggia in senso
inverso)! Come se fosse una pallina che rimbalza da una parte all'altra di
un tubo chiuso alle estremità, l'onda di pressione inizia a fare avanti e
indietro, perdendo energia e velocità in questa pazza corsa. Ciò accade
perché la velocità delle onde di pressione, positive o negative che siano,
è quella del suono in questo ambiente (massa gassosa ed elevato calore),
cioè circa 600 metri al secondo, sommata o detratta da quella dei gas (60
m/s) a seconda del verso in cui si muovono. Queste onde dunque
attraversano più volte la colonna di gas prima che questa riesca ad
uscire, ma per fortuna perdono molta energia ad ogni "rimbalzo" facendo
sentire sempre meno il loro effetto. Tenete presente che, nell'esempio di
figura 2, alle onde di pressione viene attribuita una velocità indicativa;
in realtà essa può variare anche di molto, soprattutto perché è fortemente
influenzata dalla temperatura del fluido che attraversa.
Sia la massa gassosa, sia le onde soniche, rallentano la loro corsa man
mano che la temperatura scende lungo il condotto che porta all'uscita. La
pressione, nel suo veloce andirivieni, dà vita a dei massimi e dei minimi
che compattano o diradano la colonna gassosa nel corso del viaggio.
I gas combusti dunque viaggiano sempre e solo in direzione del terminale
di scarico, ma la colonna che formano simula il movimento di una
fisarmonica che si espande o si compatta a seconda del livello di
pressione che incontra. Questo effetto è generato dalle onde che si
muovono in entrambe le direzioni (ma con velocità diverse) all'interno del
tubo. Se la colonna attraversa una depressione (cioè una pressione che si
muove verso i cilindri) i gas si diradano, accade il contrario se l'onda
sonora si muove nella direzione opposta accelerando il loro moto.
Una cosa a questo punto dovrebbe essere chiara: più il percorso che porta
dalla valvola all'ambiente esterno è lungo, più tempo impiegherà l'onda di
pressione a tornare indietro. Allo stesso tempo essa perderà molta energia
nel corso dei "rimbalzi" causando una attenuazione dei suoi effetti.
Quindi in un tubo infinitamente lungo non si avrebbero fenomeni di
riflessione delle onde. Al contrario, in un tubo corto, le variazioni di
pressione si sentiranno moltissimo!
Tutto quello che abbiamo detto sinora ipotizza che non ci siano variazioni
di volume nel tubo (senza silenziatori o biforcazioni) e che esso abbia un
lunghezza tale da provocare una certo numero di riflessioni. In questo
caso l'energia posseduta dalle onde di pressione che viaggiano su e giù al
suo interno andrebbe via via affievolendosi facendo sentire sempre meno i
suoi effetti sulla colonna di gas in marcia. Però fino a questo momento è
avvenuta una sola fase di scarico, del tutto teorica, perché nella realtà
queste colonne di fluidi vengono emesse dal motore di continuo!
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Arrivano i
rinforzi |
A
complicare la teoria ci pensa ancora una volta la valvola di scarico, che
si apre ciclicamente, immettendo nuovi gas e soprattutto nuove onde di
pressione che si scontrano con quelle che già si muovono nelle tubazioni…
Questi fenomeni accadono molto in fretta, se pensate che quando il motore
gira a soli 6000 giri/minuto, ogni 20 millisecondi si apre la valvola di
scarico per far fuoriuscire una nuova ondata di gas combusti e un'altra
famigerata onda sonica di pressione!
Se prima c'era un po' di "traffico" nel tubo, adesso la somma algebrica di
onde di pressione e depressione, che viaggiano con direzioni opposte,
porta a veri e propri massimi e minimi di pressione (figura 3). L'effetto
fisarmonica risulterà dunque ancor più amplificato, determinando in
maniera netta le modalità di respirazione del propulsore. Resta comunque
il fatto che, per ottenere il massimo rendimento volumetrico del sistema,
si deve verificare la condizione di depressione a ridosso della valvola di
scarico e di pressione su quella di aspirazione. Il motore in questo caso
non fatica ad ingurgitare la miscela aria combustibile e viene anche
agevolato nell'espellere i gas esausti. Nel caso opposto invece, pur
continuando a funzionare, offrirebbe un rendimento davvero modesto, sotto
forma di scarso vigore e lentezza di reazione nel prendere giri.
Anche in questo caso, se non varia il regime di rotazione del motore,
possiamo determinare in ogni punto del tubo se c'è una sovrapressione
oppure una depressione.
E le cose non cambieranno finché non viene modificato il sistema!
Allungando o accorciando il tubo, si può variare "l'accordatura" del
motore.
Le modalità con cui avvengono questi processi di respirazione ovviamente
sono dettate dal numero di giri del motore, cioè dal numero di volte in
cui si apre la valvola di scarico. Pertanto nell'intero campo di
funzionamento del motore a volte si verifica una condizione favorevole,
altre purtroppo no!
Nella tubazione di scarico del motore monocilindro che abbiamo preso in
esame, dunque, è possibile ottenere la perfetta "accordatura"
dell'aspirazione con lo scarico solo in alcuni range di rotazione. Per
ottenere risultati diversi, dovremo variare lunghezze o geometrie dei
condotti di scarico.
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Conclusioni |
La velocità con cui si
muove l'intera colonna gassosa dipende da svariati fattori: temperatura,
pressione, diametro e lunghezza del tubo. La velocità delle onde soniche
di pressione invece modula la sua consistenza, compattandone o diradandone
la massa durante il suo percorso.
In questa prima puntata abbiamo visto cosa succede se il tubo di scarico
non subisce variazioni di volume, ma vi anticipo già che ogni volta che
questo accade (all'interno di un silenziatore o dove confluiscono le
tubazioni di cilindri diversi), vengono generate nuove onde di ritorno…
proprio come avviene nel salto di pressione causato dall'ambiente esterno.
L'intensità, il ritmo ed il verso con cui esse si propagano però dipende
dal tipo di "ostacolo" che incontrano, quindi si può variare la risposta
del sistema anche intervenendo in modo diverso dal semplice allungamento o
accorciamento del tubo di scarico.
Vi accenno anche che in tubazioni strette e lunghe si verificano fenomeni
tali che rendono migliore l'erogazione a bassi e medi regimi di rotazione
(pulsazioni lunghe), mentre per avere coppia e potenza ad alti regimi si
impiegano tubazioni corte e di dimensioni più generose (che originano
pulsazioni più brevi). Questo è vero sia per il lato aspirazione, sia per
quello di scarico.
Visto che i motori motociclistici, di norma, vanno da uno a quattro
cilindri, sarà interessante proseguire il viaggio per scoprire cosa accade
quando confluiscono i collettori di cilindri diversi o si modifica
semplicemente il silenziatore. Una cosa è certa, anche se i fenomeni
fisici chiamati in causa sono tanti, alla fine con il "metodo
sperimentale" si riesce a venirne comunque a capo, verificando cosa accade
ed eventualmente apportando dei correttivi.
Prima di salutarvi vorrei sottolineare un concetto: le onde di pressione
non devono essere considerate dannose per un propulsore; ad esse, infatti,
si deve rendere il merito del "risucchio" allo scarico (che migliora la
respirazione) altrimenti impossibile. Il problema semmai è quello di
verificare come si può fare ad "addomesticarle", sfruttandole al meglio in
un range di utilizzo più esteso possibile. Per quanto possa sembrare
strano, infatti, un motore dotato di opportuni cambiamenti di sezione del
tubo di scarico o di silenziatori, offre maggior potenza di uno dotato
solamente di un breve tubo e lo scarico libero!

La figura 1 mostra
come è possibile garantire il massimo rendimento volumetrico del
propulsore attraverso una buona respirazione. Per quanto riguarda lo
scarico, è necessario che in prossimità della valvola di scarico si
verifichi una depressione in grado di "risucchiare" i gas combusti nella
tubazione che porta all'ambiente esterno.
Al contrario, dal lato aspirazione, una elevata sovrapressione
contribuisce a "spingere" quanto più possibile la miscela aria/benzina nel
cilindro. Se si verificano entrambi questi fenomeni, "l'accordatura" del
motore risulta perfetta, garantendo le massime performance che può offrire
il propulsore.
La
figura 2 mostra il cammino di una colonna dei gas combusti attraverso il
tubo che congiunge la valvola di scarico con l'ambiente esterno. Il loro
moto è influenzato dalle onde soniche che viaggiano molto velocemente in
direzioni opposte. Quelle di pressione, che hanno lo stesso verso della
colonna di gas, la compattano nell'attraversamento (colore rosso). Quelle
di depressione, che viaggiano in direzione opposta, diradano invece il
fluido (colore giallo). La maggiore velocità delle onde, che attraversano
più volte i gas, dà vita all'effetto fisarmonica che subisce il fluido
durante il cammino verso la fine del tubo.

La figura 3 evidenzia cosa succede in una porzione di tubo quando il
motore ruota ad un determinato numero di giri (emettendo cioè una serie
continua di colonne di gas in successione). Si vengono a creare massimi e
minimi di pressione sempre nei medesimi punti, a seconda di come le onde
sono distribuite nei condotti. Se esse hanno lo stesso verso, la colonna
di gas in quel punto viene compattata (sovrapressione), altrimenti si
dirada (depressione).
Se si varia il numero di giri, la posizione dei massimi e dei minimi lungo
il condotto cambia. Allo stesso modo, se non modifichiamo il regime di
rotazione del motore, ma accorciamo o allunghiamo la tubazione di scarico,
possiamo variare la distribuzione delle pressioni lungo il percorso dei
gas.
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