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.
 

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!

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.

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.