La sovralimentazione del motore termico: i collettori d’aspirazione

La sovralimentazione del motore termico: i collettori d’aspirazione

Com’è possibile ottenere un piccolo effetto sovralimentante naturale a costo zero.

Nei precedenti articoli della nostra trattazione è stata più volte menzionata l’importanza di utilizzare collettori d’aspirazione e scarico opportunamente dimensionati per poter sfruttare a pieno le pulsazioni del motore. Proviamo ad approfondire l’argomento introducendo ed analizzando i collettori d’aspirazione sincronizzati.

Si tratta di una tecnologia tutt’altro che nuova, introdotta per la prima volta da Mercedes con la 300SL nel 1954. Prima di quella data si era convinti che i collettori d’aspirazione di corta lunghezza fossero la soluzione per meglio gestire le pulsazioni del motore. Successivamente si è scoperto che, in particolari condizioni di esercizio, tubazioni più lunghe sono in grado di migliorare le prestazioni attraverso un sistema dinamico chiamato “effetto sovralimentante”.

Schema onda pressoria
Schema che riproduce la propagazione dell’onda pressoria all’interno del collettore di aspirazione. Se la valvola di aspirazione è chiusa, questa rimbalza risalendo il collettore fino al plenum per poi ritornare verso la camera di combustione

Quando l’aria fresca viene aspirata nella camera di combustione acquista velocità e momento d’inerzia all’interno del canale d’aspirazione. Nell’istante in cui la valvola d’ingresso si chiude, l’aria fresca in veloce movimento, impattandovi, la comprime e genera un considerevole aumento della pressione. Non avendo vie di fuga alternative, l’onda di pressione rimbalza e risale lungo il collettore fino a collidere con la sovrappressione (plenum) presente all’estremità opposta per poi rimbalzare nuovamente verso la camera di combustione. Si viene così a creare una propagazione d’onda pressoria lungo l’intero collettore d’aspirazione fino a quando la valvola di aspirazione non si riapre. Si generano con questo meccanismo le cosiddette “onde di pressione pulsanti”.

L’aspetto interessante è che il fenomeno descritto può essere sfruttato per avere una piccola sovralimentazione dell’aria in ingresso: se la valvola si apre nel momento esatto in cui l’onda di pressione arriva in prossimità della sezione d’ingresso della camera di combustione, questa può aiutare il sistema di aspirazione a far entrare più aria per arricchire la miscela generando un “effetto sovralimentante”.
Un sistema di questo tipo non sarebbe poi così diverso dall’installare un piccolo compressore, con la differenza che il costo è praticamente nullo perché si sfrutta un fenomeno naturale. Per sfruttarlo a pieno è importante dettare i tempi di apertura e chiusura della valvola in funzione della frequenza dell’onda di pressione, la quale, per evidenti necessità, deve essere sincronizzata con le variazioni di velocità del motore. Tale frequenza dipende fortemente dalla lunghezza del collettore d’aspirazione: più è lungo, più tempo impiegherà l’onda a tornare verso la valvola e di conseguenza la sua frequenza sarà più bassa. Per queste ragioni un collettore d’aspirazione più lungo favorisce l’effetto sovralimentante quando il motore lavora a bassi regimi, mentre uno più corto favorisce le condizioni più accelerate.

Appare chiaro che collettori corti producono frequenze molto alte, per cui l’onda di pressione rimbalza troppe volte e perde parte della propria energia prima di svolgere il suo compito. Tale conclusione porterebbe a dire che un collettore d’aspirazione deve essere sufficientemente lungo, ma in realtà non è così: sfortunatamente un collettore d’aspirazione sincronizzato riesce a produrre l’effetto sovralimentante soltanto durante limitati intervalli di funzionamento del motore, oltre i quali, in particolari condizioni, l’onda di pressione può anche rivelarsi un ostacolo all’ingresso nella camera di combustione. Per questo motivo su una macchina sportiva, nella quale il motore mediamente lavora con un alto numero di giri, si preferiranno collettori corti, mentre per utilitarie o veicoli commerciali, solitamente utilizzate per andature medio-basse, la scelta giusta potrebbe essere quella di utilizzare collettori più lunghi.

Collettore F458 s
Collettore d’aspirazione della Ferrari 458 speciale

Per risolvere le problematiche finora descritte sono stati sviluppati i collettori d’aspirazione a lunghezza variabile. Saranno oggetto d’analisi del prossimo articolo, nel quale verranno presentate diverse soluzioni tecnologiche proposte dalle più importanti case automobilistiche come Audi, BMW e Ferrari.

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