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 CONDOTTO 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. Testo di Piero Plini