Approfondimento : le onde nei motori

Per una volta voglio provare anche io a scrivere un post didattico , come qualcuno fa ogni tanto ,nella speranza di fare un po’ di luce su un argomento tanto affascinante quanto complesso, sfatando ridicoli luoghi comuni e stimolando la curiosità dei più appassionati.

Iniziamo subito col dire che per massimizzare la potenza del motore bisogna immettere la maggior quantità possibile di miscela aria/benzina in camera di combustione e nel contempo estrarre la maggior quantità possibile dei gas prodotti dalla combustione . Ossia si deve ottimizzare il ricambio di carica , togliendo di mezzo i secondi per far posto alla prima.

Bisogna innanzitutto capire come si muovono le colonne di gas presenti nei condotti di aspirazione e scarico.
Sappiamo bene ( spero) che questi gas traggono dal movimento del pistone e dalla combustione (quest’ultima in particolare spinge fuori i gas di scarico ) l’energia che gli serve per ‘’scorrere’’ all’interno dei condotti.
Dato che sia il movimento dei pistoni sia l’espansione prodotta dalla combustione sono fenomeni fortemente pulsanti , cioè che trasmettono notevoli quantità di energia in un lasso molto breve di tempo , essi forniscono alle colonne gassose delle violente accelerazioni , tramite forti impulsi di pressione e depressione.
Sappiamo bene ( spero ) che i gas sono fluidi comprimibili , quindi elastici, quindi quando le valvole di aspirazione e scarico si aprono il forte impulso di pressione ( o depressione se parliamo delle valvole di aspirazione ) che viene loro trasmesso fa si che gli strati gassosi più vicini alle valvole , essendo raggiunti per primi dall’ impulso , inizino a muoversi prima degli altri, avvicinandosi ( in compressione ) o allontanandosi ( in aspirazione ) rispetto a quelli più lontani
L’ impulso viene poi ovviamente tramesso via via agli strati più lontani di gas che iniziano a muoversi con una legge che dipende dall’ impulso che è stato loro tramsesso .
Gli strati di gas interessati dalla compressione o dalla depressione sono quelli che compongono l’ ONDA , o meglio sono quelli interessati dall’ onda .
Un’ onda infatti si può descrivere come una variazione di stato fisico ( in questo caso dei gas ) che si propaga nello spazio/tempo ( stupenda definizione ) .
Ossia una variazione dei parametri dello stato fisico dei gas ( volume , pressione , temperatura ) che interessa strati adiacenti del fluido , propagandosi nel fluido stesso con una certa velocità, detta VELOCITA DEL SUONO ( circa 330 m/s nell’aria ).
Quest’onda però viaggia “ a cavalcioni “ di un fluido che anch’esso si sposta con una certa velocità nel condotto, velocità che se non è tanto elevata come quella del suono è comunque considerevole . Nei motori ultraveloci di Formula 1 si può arrivare a 90 m/s .

Quando queste onde giungono alla fine del condotto esse subiscono delle variazioni .
Vediamole nel dettaglio.

Se il condotto sbuca nell’ ambiente esterno ( a volume infinito ) quando l’onda giunge all’estremità del condotto succede che :

- La sovrapressione ( o depressione ) SI ANNULLA , assorbita diciamo così da un volume d’aria molto più grande rappresentato dall’ ambiente esterno.
- Si crea un’altra onda DI SEGNO OPPOSTO ( se la prima era di compressione diventa di depressione e viceversa ) che dall’estremità del condotto risale il condotto stesso , in pratica torna indietro.

Se invece il condotto nella parte terminale è completamente chiuso succede che :

- La sovrapressione ( o depressione ) CRESCE . Si ha approssimativamente un raddoppio.
- L’onda viene riflessa e torna indietro mantenendosi DELLO STESSO SEGNO .



Esistono anche casi intermedi , cioè di condotti che ad un certo punto si allargano ( o si diramano in altri tubi ) e di condotti che si restringono .
In questi casi l’onda quando giunge all’estremità del condotto viene di nuovo riflessa secondo le modalità sopra descritte e torna indietro , ma nel contempo genera una seconda onda ( oppure più di una se il condotto si dirama in altri due o più condotti ) dello stesso segno della prima con valori di sovrapressone o depressione più bassi .Questo andare e venire di onde nei condotti fa si che la pressione nei vari punti di essi vari in modo ciclico ,aumentando e diminuendo al passaggio dell’ onda .
Quello che interessa conoscere è come varia la pressione degli strati fluidi immediatamente a monte delle valvole di aspirazione e a valle delle valvole di scarico rispetto a quella presente nel cilindro durante l’intero ciclo di funzionamento del motore , che come è noto ( spero ) ha una durata pari a 2 giri dell’albero motore.

Sulle basi di quanto appreso analizziamo la situazione di massimo rendimento volumetrico ,
ossia della situazione in cui le onde arrivano a ridosso delle valvole nei momenti più propizi
L’esempio che cito si riferisce ad un motore Ferrari V12 di Formula 1 di parecchi anni fa,
con potenza massima a 13'000 giri .
Vediamo cosa capita in un singolo cilindro e nei suoi dintorni proprio a questo regime , in cui il motore “respira” al meglio.

Partiamo dall’ inizio della fase di scarico , subito dopo la combustione e la conseguente espansione ,
il pistone si trova pochi gradi prima del PMI ( punto morto inferiore ) , le valvole di scarico si aprono e i gas ad altissima pressione si gettano violentemente nel condotto di scarico.
Subito dopo il pistone raggiunge il PMI e risale con grande accelerazione , dando un ulteriore spinta ai gas di scarico . Quindi nel condotto di scarico si produce una fortissima onda di pressione che percorre il condotto arrivando alla sua estremità . Il condotto sbuca in una congiunzione in cui arrivano gli altri condotti ( componendo il famoso collettore di scarico ) . Questa congiunzione è molto importante in quanto forma una camera di un certo volume nel quale l’onda di pressione si può espandere , generando come abbiamo visto un’ onda riflessa di depressione ( riflessione su fondo aperto ) .
Siccome l’onda iniziale di pressione è molto intensa sarà altresì intensa quella di depressione che viene riflessa.
Tale onda di depressione risale il condotto e arriva alla valvola di scarico quando ancora è aperta ,
e quando anche la valvola di aspirazione si è già aperta ( fase di incrocio ) .
Quindi succedono due cose importanti .
Per prima cosa la forte depressione risucchia fuori dal cilindro la parte di gas bruciati che è rimasta lì dopo la risalita del pistone e quella che stava entrando nel condotto di aspirazione , perché nel frattempo si è aperta anche la valvola di aspirazione.
Nel contempo la stessa onda di depressione si propaga anche attraverso il condotto di aspirazione , lo percorre fino in fondo e viene riflessa diventando un’onda di PRESSIONE ( riflessione su fondo
aperto ) . Questa onda di pressione risale verso il cilindro ed arriva alla valvola di aspirazione quando questa è già alla massima alzata , il pistone è già sceso oltre la metà corsa di aspirazione,
e la valvola di scarico è ormai chiusa.
Qua si ha il cosiddetto effetto RAM ( in italiano significa “ariete” ) in cui l’onda di pressione che arriva spinge dentro il cilindro una notevole quantità d’aria .
Si pensi che a metà corsa di aspirazione nel cilindro si ha ancora una pressione di 0.5 bar quindi a
questo punto il rendimento volumetrico è solo di 0,25 .
Alla fine della fase di aspirazione quando le valvole si chiudono il rendimento arriva a ben 1,2 .
( come se si avesse un compressore che soffia a 0,2 di sovrapressione )
Si deduce quindi che l’80% della quantità d’aria entra nel cilindro dopo la metà corsa d’aspirazione in una maniera quindi piuttosto repentina, dovuta al “soffio” dell’ onda di pressione.
Dopo di che il fluido nel condotto di aspirazione continua ad oscillare . Dopo l’onda di sovrapressione benefica si ha una riflessione nuovamente come onda di pressione ( la valvola aperta è comunque una strozzatura e si ha quasi una riflessione a fondo chiuso) che torna indietro fino all’estremità del condotto e viene riflessa nuovamente stavolta come onda di depressione ( fondo aperto ) che di nuovo torna indietro fino alla valvola che è chiusa , quindi senza influire sulle pressioni in camera e viene riflessa ancora sempre come onda di depressione ( fondo chiuso ).
Essa viene ancora riflessa e diventa di pressione , e arriva alla valvola di aspirazione all’ inizio della fase di incrocio del ciclo successivo. Essa ha di nuovo un effetto benefico in quanto anche se ha perso energia
a causa delle varie riflessioni subite e dell’ attrito contro le pareti del condotto è sufficiente a creare
un tappo per i gas bruciati che tentano di risalire nel condotto di aspirazione.
Anche nel condotto di scarico nel frattempo la pressione del fluido continua ad oscillare a valvola chiusa fino a quando la nuova espansione dei gas produce un’altra violenta onda di pressione che cancella quelle residue e avvia un nuovo ciclo.

E’ facile capire che risultano fondamentali la LUNGHEZZA DEI CONDOTTI e la FASATURA , in quanto una volta che si conosce la velocità con cui le onde viaggiano avanti e indietro nei condotti allungando o accorciando i tubi si fa in modo che esse arrivino all’imbocco delle valvole nei momenti più propizi.
E la fasatura deve essere regolata in modo da intrappolare la maggio quantità di aria possibile , aprendo e chiudendo le valvole nei momenti giusti.
Ovviamente se si ottimizza il motore per un dato regime a regimi inferiori o superiori , se non si varia nessuno dei parametri suddetti , la potenza diminuirà nettamente in quanto le onde arriveranno al cilindro o troppo presto o troppo tardi , mandando a troie il rendimento volumetrico.
Ecco perché nei motori di serie si sono sviluppati negli anni tanti sistemi di fasatura variabile e di condotti di aspirazione a geometria varibile ( anche per i condotti di scarico si sono fatti dei tentativi per la geometria variabile ma con scarso successo ).
E’ abbastanza ovvio che si preferisce avere forti alzate con angoli di apertura un po’ più stretti , piuttosto che alzate modeste e grandi angoli di apertura , in quanto si massimizza l’effetto delle onde “buone” e si
limita quello delle onde “cattive”. E’ necessario anche che le valvole si aprano e si chiudano molto velocemente, in modo da aumentare l’alzata media. Ma questo è svantaggioso da un punto di vista meccanico in quanto aumenta gli attriti , le usure , e il rischio di perdita di contatto molla/camme con gravi danni .
Per quanto riguarda il diametro dei condotti esso viene scelto sulla base di un semplice ( si fa per dire ) ma cruciale compromesso . Diametri grandi diminuiscono gli attriti a parità di tutto il resto , ma riducono lo sbalzo di sezione cilindro/condotto , riducendo di conseguenza le accelerazioni dei gas quindi e l’intensità delle onde. Diametri troppo piccoli creano forti onde nei condotti , onde che però si smorzano troppo presto per gli eccessivi attriti.

Quanto detto sopra costituisce TUTTO E SOLO QUELLO CHE CONTA VERAMENTE PER OTTIMIZZARE LE PRESTAZIONI DI UN MOTORE ASPIRATO A 4 TEMPI

 

A questo punto bisogna precisare alcune cose:
la teoria delle onde e la sua trattazione è una disciplina di enorme complessità che richiede modelli matematici particolari , quindi la spiegazione che ne ho dato è molto schematica e semplificata anche se credo sia abbastanza chiara per poter farsi un’idea della questione .
Le onde tanto per fare un esempio non viaggiano mai singolarmente nei condotti ma sempre sovrapposte ( anche se cè né sempre una dominante, quella primaria ) , in quanto sono onde abbastanza lunghe . Questo complica assai i calcoli per il dimensionamento dei condotti e per la fasatura .
Inoltre il motore scelto come esempio è un motore da corsa , nel quale lo sfruttamento dei fenomeni ondulatori viene sfruttato al massimo grado a regimi di rotazione molto alti e con fasature molto spinte. Nei motori di serie i prinicipi rimangono sempre validi , ma sono sfruttati in maniera minore, o comunque diversa.
Infatti il motore di serie deve funzionare in maniera accettabile in un ampio arco di regime , mentre quello da corsa è ottimizzato per dare il meglio di sé in un piccolo intorno del regime di potenza massima.
Altro esempio : l’angolo di apertura delle valvole di aspirazione in un motore di F1 è di circa 320° o anche più , mentre in un motore di serie seppur ad alte prestazioni arriva al massimo a 280-285°.Questo perché un angolo di apertura tanto ampio, come dicevamo prima , fa si che il motore al di fuori dei regimi per i quali è stato ottimizzato risenta troppo delle onde negative perdendo parecchia potenza .E questo non è buono per un motore stradale.
Per il momento mi fermo qua .
Spero di essere stato chiaro, se ci sono domande chiedete pure.
E risparmiatevi la fatica di cercare in rete per vedere se ho copiato .
Sta roba non la trovate

 

In tutti i motori moderni si sfruttano questi principi , ma non sempre per ricercare la massima potenza.
I collettori di scarico sono importanti perchè sono le onde di scarico quelle più intense e quindi quelle che influenzano di più il funzionamento del motore.
Se si modifica anche il resto è meglio , ma bisogna sapere in che modo farlo e cosa si vuole ottenere

 

Si l'ho scritto anche io

 

I tromboncini di aspirazione si usano tutt'ora , solo che non si vedono quasi mai.
Comunque è il contrario .
In linea di principio più alto è il regime più si devono accorciare i tubi.

 

Mi fa piacere che ci siano degli interessati a certi argomenti .
Cercherò di scrivere altri post simili quando ne avrò il tempo.

Quello che dici è giusto per quasi tutti i motori stradali , nei quali si cerca di accordare il motore per un regime medio in modo tale da non compromettere troppo ne i bassi regimi ne gli alti . Così si ottiene la massima coppia ad un regime ben inferiore a quello di potenza massima, e dopo quel regime la coppia cala , anche se la potenza aumenta perchè il regime cresce in modo tale da sovracompensare la perdita di coppia come hai giustamente detto.
Nei motori da corsa , specie quelli di formula uno , i bassi e i medi regimi non contano niente . Conta solo la potenza erogata in un piccolissimo intorno del regime di potenza massima, cioè un pò prima e un pò dopo quel regime.
Quindi si accorda il motore per il regime massimo possibile , e questo porta ad avere un regime di massima potenza e uno di massima coppia quasi coincidenti.
La miglior cosa in verità ( che in realtà si cerca sempre di ottenere ) sarebbe avere la possibilità di andare "fuorigiri", cioè oltre il regime di potenza massima, per un certo ( piccolo ) arco di regime senza che la potenza cali in modo troppo violento, in modo tale da ottimizzare l'accelerazione.
Siccome infatti si ha la massima accelerazione possibile quando il motore si trova al regime di potenza massima ( non a quello di coppia massima come ancora molti credono ) è vantaggioso che accelerando e cambiando le varie marce il motore non si allontani mai troppo da tale regime , ossia oscilli da un regime appena più basso ad uno appena più alto .
In modo da far coincidere il regime medio proprio con quello di massima potenza