| Per renderci la vita più "facile", nella scorsa puntata
abbiamo analizzato "solo" i fenomeni che avvengono
nello scarico di un propulsore monocilindro;
ora invece parleremo di come due o più collettori
di scarico possono convivere, felicemente o
meno, se messi in comunicazione tra di loro.
Ricapitoliamo brevemente quanto detto nella prima parte,
quando la colonna di gas di scarico attraversa
il condotto fino a raggiungere l'ambiente esterno.
La sua marcia è molto più lenta delle onde soniche
di pressione (positive o negative) che si vengono
a creare per riflessione nella tubazione. Queste
ultime, immaginiamole come se fossero palline
che rimbalzano molto velocemente da una parte
all'altra di un tubo chiuso alle estremità.
Esse dunque attraverseranno più volte la colonna
di gas di scarico… se una di queste avrà il
suo stesso verso, la colonna si compatterà mentre,
nel caso di segno opposto, i gas si diraderanno.
Tuttavia, anche se i gas combusti proseguiranno
il loro viaggio rallentando un po' la velocità
(per via della temperatura che diminuisce sempre
più durante il percorso), essi continueranno
a proseguire nella medesima direzione verso
l'ambiente esterno: espandendosi e contraendosi
ad ogni incontro con le onde soniche (simulando
il movimento di una fisarmonica in movimento).
La lunghezza del tubo determina dunque la frequenza
con la quale si verificano le riflessioni (se
il condotto è corto il numero dei "rimbalzi"
aumenta!), mentre la sezione del tubo influisce
sul "vigore" degli effetti (più il tubo è stretto
più si "sentono" gli effetti delle onde di pressione).
Qualcuno a questo punto si chiederà perché non
accorciare o addirittura eliminare le tubazioni
di scarico… la prima risposta che viene in mente
è intuitiva: l'eccessiva rumorosità del motore!
La risposta tecnica invece è molto meno ovvia:
perché si perde coppia e potenza in abbondanza!
Si ricordano in proposito esperimenti sui propulsori
di F1 a "scarico libero"… Con perdite di potenza
fino a 100 cavalli! In queste condizioni infatti,
l'elevata impedenza acustica dell'ambiente esterno
provoca riflessioni molto simili a quelle che
si avrebbero in un tubo chiuso all'estremità
(ovviamente ai fini della riflessione), come
se si stesse scaricando in un fluido molto più
"denso" di quanto non sia effettivamente l'aria!
DUE SCARICHI IN
UNO
Prendiamo in esame un propulsore bicilindrico con i collettori
di scarico che si uniscono prima di sfociare
con un'unica tubazione verso l'ambiente esterno
(fig. 2). In questo caso la giunzione in cui
convergono i gas di scarico introduce una riflessione
come quella che si ha quando il tubo termina
verso l'ambiente esterno; quindi un'onda sonica
di depressione risale verso il condotto in direzione
della valvola di scarico che l'ha generata!
L'intensità di questo fenomeno dipende ovviamente
da come è realizzata questa giunzione e più
in generale da quanto essa è voluminosa. Il
fatto che la lunghezza del condotto (prima di
convogliare nella giunzione) sia necessariamente
corto determina, in grandi linee, una certa
corposità di risposta del motore a basso numero
di giri, mentre agli alti regimi di rotazione
si perderà sicuramente qualcosa in termini di
potenza massima erogata. Proprio per questa
ragione si preferiscono scarichi separati: tanto
per non fare nomi… Basta guardare le bicilindriche
Ducati più potenti, o altre illustri colleghe
nipponiche di elevata cubatura.
Ad ogni modo è
bene non fare “di ogni erba un fascio”, perché
il discorso è assai più complesso! Infatti,
quando il primo cilindro scarica generando la
riflessione nella sua tubazione, anche l'altro
viene interessato da un fenomeno analogo… Il
condotto del cilindro numero due infatti è percorso
anch'esso da un’onda che si propaga dalla giunzione,
ma essa è di segno opposto! Dalla giunzione
dunque, partono due onde sonore, una di depressione
(cilindro 1) ed una di pressione (cilindro 2).
Ovviamente, anche in questo caso, la frequenza
e l'intensità di questi fenomeni dipendono dalla
lunghezza e dalla sezione dei condotti… Quindi
è un bel problema accordare il tutto, cioè fare
in modo di ottenere una buona respirazione (valvola
di scarico che si apre quando a ridosso è presente
una depressione) per un arco di giri più esteso
possibile. C'è da considerare inoltre che i
cilindri raramente sono in linea, la soluzione
boxer o a "V" è assai più diffusa; anche in
questi casi la sequenza delle accensioni cambia
a seconda dell'angolo formato dai cilindri (solitamente
una "V" tra 90° e 60°). Le valvole di scarico
quindi si aprono con svariate "cadenze" generando
fenomeni di riflessione molto diversi tra loro.
Come abbiamo già detto però, solitamente si
preferisce lasciare indipendenti i due collettori
fino al terminale di scarico per disporre di
maggiore potenza massima.
QUATTRO CILINDRI
Ovviamente anche i motori plurifrazionati possono presentare
architetture diverse tra loro, ma i quattro
cilindri in linea con la sequenza degli scoppi
1-3-4-2 (riferito ai cilindri), costituiscono
di fatto la norma. Anche in questo caso si possono
far confluire i collettori in una o più giunzioni.
La figura 3 mostra modi diversi di progettare
l'impianto di scarico. La geometria "A" ricorda
i vecchi quadricilindro Honda, mentre quella
"B" (4 in 2 in 1) è piuttosto rara a vedersi.
Non molto comune è anche la "C" (molto simile
a quella 4 in 2 della Yamaha XJ 600 Diversion),
che risulta più complessa da realizzare per
via "dell'intreccio" di tubazioni, mentre la
soluzione 4 in 1 (D) è di gran lunga la più
diffusa. Il motivo per cui la soluzione più
rara è quella "B" è di natura tecnica… Guardando
la figura 4, si nota che il cilindro 1 ed il
2 (o il 3) hanno le fasi di scarico molto vicine
tra loro (contrassegnate dall'asterisco azzurro).
Al contrario il cilindro 4 risulta sempre a
distanza di 360°, ossia di un giro di albero
motore, come mostra l'asterisco giallo sulla
fase di scarico. Allo stesso modo i cilindri
2 e 3 avranno le rispettive fasi di scarico
sempre sfasate di 360°. Fasi di scarico tra
cilindri "comunicanti" (1 e 2 del caso "B")
sono più dannose se esse sono vicine tra loro…
Ciò risulta anche abbastanza intuitivo, visto
che dalla giunzione parte anche un'onda di pressione
che "disturba" lo scarico del cilindro che sta
per scaricare subito dopo. Ad esempio, dopo
la fase di scarico del cilindro due, inizia
quella dell'uno "disturbandola". Quanto detto
è mostrato anche dal disegno 5, con relative
posizioni dei pistoni al punto morto superiore
o a quello inferiore. Per questo motivo quando
si sceglie di usare i collettori tipo 4 in 2
in 1, si raggruppano i cilindri distanziati
tra loro di un giro di albero motore, come mostra
il disegno C.
Un caso diverso
è rappresentato invece dallo scarico 4 in 1,
dove tutti i cilindri confluiscono in un'unica
giunzione, più voluminosa e "particolare" dal
punto di vista delle onde soniche! In questo
caso le riflessioni sono talmente tante da creare
notevoli "interferenze" tra loro… E tali da
non penalizzare più di tanto l'erogazione. O
meglio, di norma ai bassi regimi non si ottengono
risultati pessimi, e comunque la mancata coppia
in basso viene ampiamente compensata da un'ottima
erogazione della potenza massima.
Ai bassi regimi
di rotazione l'architettura 4 in 1 si rivela
carente di coppia rispetto a quella 4 in 2 in
1 (del caso "C"). Quest'ultima ha le due prime
giunzioni più vicine al propulsore che producono
un’onda "lunga" ed efficace ai medi regimi di
rotazione, mentre la terza giunzione (più lontana
dal cilindro) “dovrebbe” invece influire ai
regimi alti, ma il suo effetto è davvero modesto.
Lo schema "D" viceversa è caratterizzato
di solito da una maggiore lunghezza dei collettori
fino alla giunzione, proprio al fine di limitare
“l’interferenza” dei cilindri interni con quelli
esterni (che si verifica puntualmente se i collettori
sono troppo corti). Quest'unica giunzione produce
una depressione intensa ma breve, al punto tale
che risulta efficacissima agli alti regimi di
rotazione ma penalizza l’erogazione ai medi
rispetto al 4 in 2 in 1. La maggiore intensità
della depressione nel 4 in 1 è dovuta alla giunzione
di grosse dimensioni che amplifica gli effetti
del salto di pressione. Premesso che ogni soluzione
deve essere comunque ben studiata e realizzata,
di solito quello che si perde in termini di
coppia e regolarità d’erogazione lo si ritrova
poi agli alti regimi di rotazione sotto forma
di potenza massima. Questo concetto è stato
più volte espresso: “è impossibile accordare
il propulsore perfettamente a tutti i regimi
di rotazione”. Lavorando sodo sulla fasatura
della distribuzione, sulla geometria dei condotti
e sulla lunghezza dei collettori di scarico,
si possono ottenere dei vantaggi senza eccessive
perdite altrove, ma in questo caso scordatevi
l’erogazione da motore elettrico! Se il propulsore
deve avere buone doti di ripresa, di solito
si consiglia il 4 in 2 in 1, se al contrario
si desidera incrementare la potenza massima,
allora il 4 in 1 è di norma la soluzione più
soddisfacente. In sostanza quando si cercano
tanti cavalli è bene far confluire i collettori
tutti insieme; anche se questi sono numericamente
tanti, come nel 10 cilindri a V di Formula Uno,
si sceglie di raggrupparli 5 alla volta, come
se fossero due motori con 5 cilindri in linea.
Da notare infine che esistono degli espedienti
per cercare di avere più di una "accordatura"
ottimale sullo scarico; ciò si è già visto con
diversi tipi di valvole allo scarico sui propulsori
a due tempi e con i dispositivi simili sui quattro
tempi (tipo quello Ex-Up della Yamaha). Tutto
questo per modificare la geometria o la lunghezza
dei condotti e quindi la risposta ottimale in
almeno due punti diversi del grafico di coppia
e potenza.
E ALLORA?
Credo a questo punto che a nessuno di voi
sia venuto in mente di progettare uno scarico
ex novo basandosi solo sui calcoli! Le pulsazioni
di pressione nei condotti sono effettivamente
difficili da gestire se non con l'esperienza
o con un avanzatissimo programma di calcolo
per computer. Tuttavia in grandi linee abbiamo
definito i possibili vantaggi derivanti dalle
diverse architetture.
La soluzione "A" risulta troppo costosa ed ingombrante
per via dei 4 silenziatori separati (c’è comunque
chi giura che funziona divinamente); inoltre
pone problemi per l’abbattimento della rumorosità.
La "B" è più semplice da realizzare, perché
non impone le contorsioni della "C" ma rende
decisamente problematica l’accordatura; richiede
inoltre collettori più lunghi per minimizzare
gli influssi delle interferenze negative generate
dai cilindri che “non vanno d’accordo”. La soluzione
"C" risulta efficace ai medio-bassi (cioè per
moto da turismo), ma se si desidera incrementare
la potenza massima, l'architettura "D" è sicuramente
la più indicata. Quest'ultima infatti, pur creando
qualche problema di vigore "in basso", presenta
numerosi vantaggi rispetto alle altre soluzioni:
facile da realizzare, poco ingombrante (c'è
un solo silenziatore), efficiente in termini
di potenza massima e per giunta poco costosa.
Inoltre questa architettura non pone problemi
acustici (perché il rumore si frammenta in armoniche
e frequenze facilmente silenziabili) e non impone
inutili contorsioni ai collettori che “dovrebbero
avere” identici raggi di curvatura e lunghezza
per garantire l’uniformità del rendimento.
IL TERMINALE DI
SCARICO
Visto il traffico di onde di pressione positive o negative
che siano, cosa accade quando andiamo a silenziare
lo scarico? Premesso che ne esistono tipologie
diverse, come mostrano i disegni della figura
1, si cerca sempre di abbattere la rumorosità
(con il passare del tempo le normative sono
sempre più severe!) senza ostacolare troppo
il passaggio dei gas (l'impedimento viene normalmente
definito "contropressione allo scarico"). La
contropressione (exhaust back pressure) è la
resistenza fluidodinamica che ostacola l’efflusso
dei gas di scarico dal motore verso l’atmosfera.
E’ causata dalla resistenza al moto nelle tubazioni
dei condotti di scarico, dalla presenza al loro
interno di zone di confluenza tra gli scarichi
dei vari cilindri (giunzioni) e ovviamente in
larga misura dal silenziatore nel terminale.
La contropressione può essere anche negativa,
come abbiamo già visto, agevolando l’estrazione
dei gas combusti sotto forma di depressione.
In generale i silenziatori si realizzano con
tre metodi, anche se non mancano esempi di convivenza
tra soluzioni diverse. Il disegno mostra il
più comune (almeno per quanto riguarda i ricambi
sportivi!) "A" che frutta l'assorbimento; quello
"B", detto a riflessione e quello "C" a risonatore.
La tipologia ad assorbimento "A" è composta
da un unico tubo forato, che percorre tutta
la lunghezza del silenziatore, circondato da
materiale fonoassorbente che riempie tutto il
restante spazio a disposizione nella camera.
Le onde sonore vengono "assorbite" dal rivestimento
(di solito lana di basalto, a volte combinata
con fini maglie d'acciaio) con un'efficacia
che dipende dalla geometria dei fori, dalla
lunghezza e diametro del tubo ed ovviamente
dalla densità del materiale fonoassorbente impiegato!
Questa tipologia di silenziatori è largamente
impiegata: sia perché provoca uno smorzamento
su larga banda, particolarmente efficace alle
frequenze più alte (filtro passa-basso), sia
perché induce modesti valori di contropressione
allo scarico (sicuramente inferiori a quelli
che si ottengono con altre soluzioni). Da quest'ultima
considerazione si evince per quale motivo è
praticamente l'unica ad essere impiegata in
ambito sportivo! Il "B" si basa sia sulla riflessione
delle onde sonore rispetto alla sorgente, sia
sulla moltiplicazione dei "punti sonori" che
introducono delle interferenze: più fori ci
sono, maggiormente se ne sentono gli effetti
della riduzione di rumore. Di solito questa
tipologia di silenziatori è formata da più camere
collegate tra loro e tubi intermedi che creano
salti di sezione, rinvii e risonanze (in serie
e in derivazione). Si ottiene così un efficace
silenziamento, specialmente per quanto riguarda
le basse frequenze…
Le marmitte a risonatore
"C" invece sfruttano per lo più tubi forati,
chiusi in parte o totalmente all'estremità.
Lunghezza e numero dei tubi, nonché tipo di
foratura, creano interferenze tra i punti sonori
e turbolenze dei gas di scarico che producono
un filtraggio esteso su larga banda. In pratica
il silenziatore si comporta come uno strumento
musicale le cui timbriche ed intensità possono
essere variate modificando geometrie e materiali
impiegati. Nulla vieta che i tre diversi tipi
di silenziatori convivano per restare entro
i limiti imposti dalla legge o per migliorare
sia il rendimento, sia il sound del propulsore.
CONCLUSIONI
Per riuscire a
plasmare, entro certi limiti, l'erogazione di
un propulsore a seconda dell'utilizzo che se
ne vuole fare, è di solito l'esperienza degli
addetti ai lavori a farla da padrone… solo nel
mondo delle competizioni ad alto livello si
utilizza il calcolo per dimensionare i vari
componenti o per risolvere piccoli e grandi
problemi… Tuttavia la sperimentazione sul campo
non manca mai, anzi essa costituisce sempre
la prova del nove! Di norma si opera provando
e riprovando diverse soluzioni; cambiando un
parametro alla volta (diametro, lunghezza, forma
ecc.) magari analizzando i risultati ottenuti
sia in pista che al banco prova.
Migliorare le caratteristiche
d'erogazione della moto originale però non è
difficile…
Le normative che le case costruttrici devono
rispettare, consentono agli appassionati un
certo spazio di manovra per incrementare le
prestazioni. A tal proposito, senza avventurarsi
in elaborazioni "fai da te", sono disponibili
sul mercato dell'after market un'infinità di
componenti, sportivi e non, che risolvono il
problema. Non mi riferisco solo ai terminali
di scarico, ma anche ai collettori o agli impianti
completi. Naturalmente, se riusciamo a migliorare
le doti respiratorie del propulsore, dovremo
necessariamente adeguare anche la carburazione…
Segno evidente che qualcosa è cambiato davvero,
sia in termini di sound che di prestazioni!
A tal proposito sono facilmente reperibili kit
di adeguamento della carburazione con getti
e spilli "sportivi": non c'è davvero di che
annoiarsi!
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