Considerazioni tecniche generali sulla forma dei collettori

24 October 2010, 02:04:07

Considerazioni tecniche generali sulla forma dei collettori

I collettori di scarico rendono in maniera diversa a seconda della loro forma di costruzione (tecnica). Più scarichi possono convivere, felicemente o meno, se messi in comunicazione tra di loro.

Per capire meglio l'importanza dei collettori di scarico occorre dare alcune informazioni necessarie alla comprensione del sistema dei gas: 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!

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.

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 moto 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 per un arco di giri più esteso possibile.

Ovviamente anche i motori plurifrazionati come quelli della coupe possono presentare architetture diverse tra loro, aventi una sequenza degli scoppi 1-3-4-2 (riferito ai cilindri).

In questo caso si possono far confluire i collettori in una o più giunzioni.

La figura di lato mostra modi diversi di progettare l'impianto di scarico.

Sia la geometria "A" che quella "B" (4 in 2 in 1) sono piuttosto rare a vedersi e usate solamente in alcuni particolari tipi di motori, soprattutto su alcune moto.

La "C" risulta più complessa da realizzare per via "dell'intreccio" di tubazioni, mentre la soluzione 4 in 1 (D) è di gran lunga la più semplice.

Riferendosi al sistema 4-2-1 il cilindro 1 ed il 2 (o il 3) hanno le fasi di scarico molto vicine tra loro. Al contrario il cilindro 4 risulta sempre a distanza di 360°, ossia di un giro di albero motore.

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) 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".

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.

Citazione

E ALLORA?

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;

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 un utilizzo più confortevole, meno sportivo in alcuni casi).

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, meno ingombrante, 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.