“Optimizing” dell’impianto di scarico: Valvola parzializzatrice & Geometria Variabile

Partiamo col definire l’impianto di scarico come quel sistema costitutivo dei motori termici e finalizzato all’espulsione dei gas di scarico e filtrazione delle sostanze nocive.

Le componenti principali sono:

• Collettore di scarico (non sempre presente come nei motori monocilindrici);
• Silenziatore;
• Convertitore catalitico o catalizzatore;
• Espansione (solo nei motori a due tempi);
• Tubo di scarico solo per motori a quattro tempi o che in generale adottano scarico a espansione. Sono generalmente caratterizzati da compensatori (collegamenti tra i vari tubi di scarico) e giunzioni (collegamento ramificato convergente ad un minor numero di tubi o ad uno singolo);
• Filtro attivo antiparticolato (solo alcuni motori Diesel);
• Impianto di sovralimentazione che sfrutta i gas presenti nello scarico per sovralimentare il motore, come abbiamo spiegato approfonditamente in un nostro precedente articolo.

 

• In generale..

Un sistema di scarico è progettato con cura dai migliori tecnici e ingegneri, in quanto la sua funzione è fondamentale e delicata: Trasportare e scaricare sostanze tossiche e nocive lontane dal guidatore.
Spontaneo giunge quindi domandarsi: E’ solo questa la sua funzione?
Assolutamente NO!

Come sicuramente ricorderete lo scandalo DieselGate che ha coinvolto i marchi automobilistici più importanti al mondo, come: Volkswagen, Audi, Seat, Skoda, Opel e anche Renault.
Il gruppo tedesco responsabile dello scandalo è stato Volkswagen e ha coinvolto tutti i marchi che quest’ultimo gestisce (alcuni precedentemente citati). Lo scandalo riguarda le irregolarità nella gestione del sistema anti-inquinamento di alcune vetture con motore a gasolio (Diesel).
Il sistema di scarico deve quindi fungere anche da filtro delle sostanze nocive, per consentire un pieno rispetto delle normative anti-inquinamento e dell’ambiente in cui viviamo.

I materiali adottati e le curve nei condotti di scarico richiamano all’attenzione dei progettisti (ingegneri meccanici e scienziati dei materiali) problemi legati alla fluidodinamica, gas-dinamica e tecnologia meccanica e dei materiali. Sono fondamentali la resistenza termica e meccanica dei materiali utilizzati, nonché le unità elettroniche (sonde, sensori, attuatori) che garantiscono il corretto funzionamento filtrante.

• Passando all’Optimizing..

I sistemi di ottimizzazione dell’impianto di scarico possono essere due: Valvola parzializzatrice o scarico a geometria variabile (in stile Jet) progettato in casa Ducati MotoGP.

• Valvola parzializzatrice:

La valvola parzializzatrice nacque tra la fine dei anni ’70 e inizio anni ’80 nel mondo MotoGP, diffondendosi successivamente sulle moto di serie nella metà degli anni ’80, come: Suzuki RG Gamma, Suzuki RGV e Yamaha RD 500.
Principalmente tale valvola assicurava al propulsore maggior prontezza nell’accelerazione e coppia sin dai bassi ai medio-bassi regimi. La tecnologia nacque essenzialmente per i motori 2 tempi, ma ad oggi è diffusa anche sui 4 tempi e in MotoGP.

Il principio fisico alla base riguarda una differenziazione tra la forza dell’onda di contropressione dello scarico risuonante e la luce (valvola) di scarico del propulsore stesso, in funzione delle varie condizioni d’uso. Il loro corretto funzionamento garantisce quanto detto prima, nonché un miglior utilizzo dell’onda di risonanza dei gas stessi.

Tipi di valvole adottate:

• Valvola parzializzatrice: la quale parzializza appunto i gas, modificando la sezione di passaggio nel condotto di scarico. Viene alterata così la fasatura di scarico;
• Valvola di contropressione (Risuonatori): funzionano mediante risonanza dei gas di scarico, da qui il nome. A differenza della valvola parzializzatrice non varia la sezione di passaggio del gas, bensì la sua intensità. Mediante restringimento del condotto, varia la dinamica del gas; seguendo il principio di conservazione della portata massica di un fluido (o gas);
• Sistemi di valvola mista: Utilizzano entrambe le tecnologie sopra citate.

Meccanica della valvola:

• A Saracinesca: Semplici, economiche e facili da fasare. Le posizioni adottate sono solo due, ossia aperta o chiusa. Tipica nella mitica Aprilia RS 250 con doppia valvola capace di ottimizzare la fasatura di scarico;
• Cilindrica: Costose e complesse. Possono avere due posizioni fisse e garantite dalla rotazione del cilindro;
• Con Flap: Questa valvola ha il suo centro di rotazione nell’estremità più distante dalla luce di scarico del propulsore. Parzializza il condotto di scarico e di conseguenza i gas, tramite la rotazione della valvola.

Metodi d’azionamento:

• Meccanico: Mediante un interruttore centrifugo che ruota in modo sinusoidale al motore e in collegamento rigido con la valvola mediante ingranaggi. La fasatura nell’apertura può essere modificata mediante variazione della forza di richiamo della molla (o del peso delle sfere) che caratterizza l’interruttore centrifugo.
• Pneumatico: Sfrutta la pressione dei gas di scarico per azionare l’apertura della valvola. All’aumentare della potenza, aumenterà anche l’energia (cinetica e di pressione) dei gas, tendendo alla completa apertura della valvola. Il sistema venne utilizzato principalmente dalla Rotax, sotto il nome RAVE (Rotax Automatically Variable Exaust). Gli appassionati di elaborazione non potranno dimenticarsela. Non viene più utilizzato attualmente per la facilità con cui il sistema accumulava residui e rallentava la fasatura.
• Elettronico: L’apertura della valvola è gestita mediante impulsi elettrici forniti dalla centralina e dall’attuatore elettro-magnetico che mediante essi muove la valvola.

 

Sistemi d’apertura:

Nell’immagine si nota la dinamica dei gas in funzione dell’apertura della valvola parzializzatrice. Gli effetti di risonanza sono evidenti nell’immagine a destra.

Oppure..

L’idea è semplice: un perno sfalsato rispetto al centro, una cerniera che permette la rotazione della valvola; andando a bloccare una delle due uscite dei gas o parzializzandole nei due condotti aumentandone velocità e diminuendo i picchi di calore. Sarà efficiente o no?

• Incrementare il “sound“?

Alcuni lettori ci hanno chiesto un parere su un tipo di valvola Electric cut-off o meglio valvole legate alla modifica del sound dello scarico. Il fine? Far apparire la propria vettura ruggente e potente come una Ferrari.
Il principio è lo stesso basti paragonare lo scarico all’americana sotto portiera con uno classico lungo: Il primo è corto e di grosso diametro favorendo i giri massimi raggiungibili e di conseguenza l’accelerazione. Il sound diventa chiaramente nervoso e ruggente. Il difetto di questo scarico è l’essere molto “libero“, ciò significa poca contropressione alla valvola di scarco e quindi perdita in termini di rendimento e potenza massima del motore termico. Lo scarico classico e lungo sfavorisce la potenza per incrementare l’efficienza.

La valvola funziona allo stesso modo: aprendosi i gas hanno la possibilità di fuoriuscire senza seguire il percorso classico, aumentando il rumore prodotto. Dipende tutto da che tipo di valvola viene utilizzata.

Anche Ducati..?

Ducati monta una valvola di scarico prodotta da Akrapovic, uno dei marchi più prestigiosi legati alla produzione di impianti di scarico. La GP17, come la GP16, monterà questo sistema e verrà gestito in modo elettronico mediante due cavetti posti sotto la cover.

Anche le moto di serie come la Panigale R e auto sportive commerciali sono dotate di tale sistema, l’azionamento è di tipo Bluetooth. Senza alcun cavo può essere gestita l’apertura e la chiusura della valvola. Il sistema è gestito mediante le diverse mappature della centralina.

La valvola di scarico è posta a valle del sistema per far sì che i gas una volta fuoriusciti non influenzino la pressione all’interno dell’impianto, generando contropressioni e onde d’urto sfavorevoli.

• Scarico a geometria variabile (in stile Jet):

Ducati sta studiando una soluzione molto intelligente per ovviare al divieto delle winglets nell’aggiornamento 2017 del regolamento sportivo della MotoGP.
Chiaramente Ducati sta cercando di mantere segreta questa novità, ma in più ipotizzano la soluzione dello scarico a geometria variabile che funziona alla stessa maniera di un motore TurboJet (Propulsori aeronautici a turbogetto o reazione).
Ecco una foto ufficiale:

Le valvole regolano la dimensione del foro sull’estremità dello scarico, aumentando o diminuendo il diametro. Per il principio di conservazione della portata massica, sappiamo che la portata di gas prodotto è costante. Ad una diminuzione della sezione d’uscita corrisponderà un aumento della velocità dei gas e per il principio di azione e reazione con l’aria circostante, verrà generata più spinta nel mezzo.

Ducati ha pensato a questa soluzione per aggiungere spinta e mantenere la ruota anteriore a terra durante la brusca fase di accelerazione. Da ricordare che la Ducati tra tutti i team in gara è quella che consta di una maggior accelerazione e sviluppo di potenza, la quale se non è ben gestita porta a veri e propri fallimenti in gara.

Questo sistema di scarico danneggerebbe pesantemente la moto se il foro d’uscita rimanesse piccolo per tutta la gara. Ducati ha pensato ad un sistema appunto variabile nel tempo a seconda dell’utilizzo.
Il sistema è gestito elettronicamente mediante una sofisticata centralina che evita gli sprechi di carburante.