I collettori di scarico a contropressione variabile e lo scavenging

I collettori di scarico a contropressione variabile e lo scavenging

L’effetto sovralimentante inverso a costo zero.

Nei precedenti due articoli di questo breve spin-off sulla sovralimentazione del motore termico abbiamo analizzato i sistemi di aspirazione in tutte le loro forme. Grazie ad opportune configurazioni è possibile ottenere “gratuitamente” un piccolo “effetto sovralimentante” in grado di allungare la curva di coppia del motore ottenendo intervalli operativi più ampi.

È possibile seguire un ragionamento analogo per il sistema di scarico poiché anch’esso espelle i gas sotto forma di pulsazioni. Studiando nel dettaglio l’onda pressoria e tracciandone l’andamento su un grafico pressione-tempo risulta subito evidente che questa si sviluppa raggiungendo un considerevole picco ai primi istanti per poi smorzarsi durante la sua propagazione. In particolare, al picco di alta pressione segue una fase transitoria di pressione negativa (depressione) che favorisce lo svuotamento dei cilindri dopo la combustione: se si riuscisse a convogliare tutti gli impulsi di scarico in collettori di uguale lunghezza si otterrebbe un’equa distribuzione delle pulsazioni di scarico tale che, se sincronizzata con le aspirazioni e le corse dei pistoni, sarebbe in grado di aiutare lo svuotamento dei cilindri ed aiutare l’aspirazione della nuova carica fresca.

pulsazione scarico
Grafico rappresentante l’andamento di una pulsazione pressoria nel tempo all’interno del sistema di scarico di un motore twin-scroll turbo-sovralimentato. In blu viene evidenziato il picco di pressione iniziale seguito dalla depressione sfruttata dallo scavenging.

Questo effetto si chiama “effetto sovralimentante inverso”, più comunemente noto con il termine inglese scavenging. Per sfruttare al meglio l’effetto dello scavenging è dunque necessario avere collettori di scarico di uguale lunghezza ed una perfetta sincronizzazione di apertura e chiusura delle valvole di aspirazione e scarico in funzione dei tempi del motore. Le condizioni migliori sono dettate dalle geometrie e dalle prestazioni della macchina, le quali influenzano il settaggio dei tempi d’incrocio delle valvole (overlap).

L’overlap è quella condizione in cui, per un certo lasso di tempo, entrambe le valvole di aspirazione e scarico sono aperte. Durante la corsa di scarico, quando il pistone si avvicina al punto morto superiore, la valvola di aspirazione inizia ad aprirsi mentre quella di scarico non è ancora del tutto chiusa: questo accade perché è fisicamente impossibile portare istantaneamente la valvola di scarico dalla sua posizione di chiusura a quella di massima apertura. Questo è il motivo per cui si ricorre ad anticipi di apertura e ritardi di chiusura delle valvole, i quali consentono di utilizzare la condizione di
incrocio per sfruttare l’effetto di aspirazione generato dai gas di scarico che abbandonano la camera di combustione: i gas uscenti infatti richiamano la carica fresca la quale, prendendone il posto, effettua un’operazione di lavaggio dello spazio morto.

Scarico BMW M3 V8
Collettori di scarico sincronizzati della BMW M3 V8

Sulla base di quanto detto verrebbe da dire che i tubi di scarico debbano possedere una sezione quanto più piccola possibile in modo da velocizzare il fluido che li attraversa favorendone lo svuotamento. In realtà la fisica ci sorprende sempre, anche in questo caso: tubi più stretti generano una maggiore resistenza al flusso di gas, meglio nota come “contropressione”. Quando il motore lavora ad alti regimi, per i quali la velocità dei gas di scarico è molto alta, la contropressione generata diventa sufficientemente grande da superare i benefici dello scavenging, ragion per cui i tubi di scarico sono vantaggiosi solo ai bassi regimi. Al contrario, tubi di scarico a sezioni più grandi riducono la contropressione agli alti regimi ed aumentano la massima potenza del motore, ma ad un basso numero di giri il flusso dei gas di scarico è troppo lento per generare lo scavenging.

Per queste ragioni sono stati realizzati i collettori di scarico a contropressione variabile. Sono costituiti da una serie di tubi disposti in parallelo con sezioni differenti che, attraverso l’utilizzo di una valvola di bypass, vengono attraversati o meno dai gas di scarico per poter sfruttare al meglio i benefici dello scavenging senza incappare nelle problematiche legate alla contropressione.

Schema scarico variabile
Schema di funzionamento di un dispositivo di scarico variabile. La valvola di by-pass attiva/disattiva il passaggio attraverso tubazioni a sezione più o meno grande.

Con questo articolo concludiamo lo spin-off sull’effetto sovralimentante ottenibile dai sistemi di aspirazione e scarico. Nel prossimo articolo riprenderemo a trattare gli impianti di turbo-sovralimentazione addentrandoci nel mondo dei recenti twin-turbo.

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