De-fap, de-cat, contropressione allo scarico e perdita di coppia ai bassi giri. Perché?
Argomento spinoso oggi, ed è uno di quegli argomenti che avete richiesto voi; chi è stato a costringerci a parlare di questo aspetto? Si faccia avanti! Ovviamente scherziamo, e come sempre cercheremo di fare chiarezza su argomenti interessanti, come questo appunto. In pratica ci avete chiesto cosa è la contropressione allo scarico ed a cosa serve, questo perché alcuni di voi hanno provato ad eliminare il catalizzatore oppure il filtro anti-particolato o anche entrambi i dispositivi sulla propria auto ma con risultati “strani”.
Il motore sembra essersi “svuotato” in basso (perdita di coppia ai regimi più bassi) guadagnando in allungo agli alti giri (più potenza massima o comunque più velocità nel salire di giri). In pratica, spesso, si ottiene un guadagno nella parte alta del contagiri ma a discapito della elasticità e della spinta del motore ai regimi più bassi. Questo può accadere rimuovendo il catalizzatore ed eventuale altro elemento dell'impianto di scarico (silenziatore centrale per esempio) su un motore aspirato a benzina, ma anche su motori turbocompressi (Diesel o a ciclo Otto che siano) può esserci un fenomeno simile.
Collettori di scarico e pulsazione dei flussi dei gas.
Si tratta di un argomento molto complesso, riguarda la dinamica dei fluidi che attraversano un sistema complesso (scusa la ripetizione) in quanto la reale dinamica inizia dai collettori di aspirazione per poi transitare (con grande trasformazione data dalla fase attiva di combustione) nel cilindro, passando per il condotto della valvola di scarico (2 nei motori plurivalvole) poi nel collettore di uscita. Cosi come i collettori di aspirazione incidono notevolmente sulla fluidodinamica, anche i collettori di scarico impattano sul flusso dei gas nel condotto.
Prima di tutto non esiste un solo tipo di collettore, questo (se parliamo di un 4 cilindri) può essere di tipo 4 in 1, oppure di tipo più complesso 4 in 2 in 1, può essere di forma, lunghezza e diametro diverso, quindi può comportarsi in molti modi diversi. Se parliamo di motori turbodiesel, le cose sono appena semplificate dal fatto che il motore Diesel ha un range di utilizzo più ristretto, diciamo dai 1000 giri al minuto ai 4500 giri al minuto (alcuni motori Diesel possono funzionare a regimi superiori ma non di tanto). Il motore a benzina, anche il più semplice e tranquillo, ha un range di utilizzo che va dai 1000 giri al minuto a 6000/6500 giri al minuto. Per questo motivo l'incidenza della rimozione di alcuni elementi sul sistema di scarico di un motore turbodiesel è (di solito) un pochino più contenuta rispetto a quanto avviene su un motore a benzina.
Collettori di scarico nei motori aspirati a benzina.
Come detto poco fa, esistono collettori di scarico semplici dove tutti i collettori sono collegati ad un unico condotto e collettori più complessi. Nei motori meno curati sotto questo aspetto, si tende a costruire collettori di questo tipo dove tutte le uscite dei vari cilindri confluiscono in un solo condotto. Motori con prestazioni migliori, possono avere collettori di tipo 4 in 2 in 1 che significa che le 4 uscite della testa motore si sdoppiano in 2 coppie; ogni coppia finisce in un condotto che – solo dopo una certa distanza – si unisce al secondo condotto verso un unica tubazione. Questa soluzione, più complessa e costosa, consente minori interferenze tra le pulsazioni dei gas di scarico provenienti dai 4 cilindri (ordine di accensione di un 4 cilindri è 1-3-4-2). Nei motori più sportivi e nei quali il sound è elemento importante, i condotti vengono progettati con estrema cura, sia nella forma che nella lunghezza e nel diametro. Un esempio? Guarda i collettori di scarico di una Ferrari V8 con motore aspirato.
Collettori di scarico nei motori turbo a benzina.
Il concetto è simile a quanto detto per i motori aspirati ma nei motori turbocompressi a benzina vi è meno spazio a disposizione per creare collettori lunghi e lavorati in modo complesso. Alcuni sistemi semplificati utilizzano un solo condotto che raccoglie tutte le 4 uscite dalla testa motore e le convoglia direttamente verso la chiocciola della turbina. Nei motori più sportivi si cerca invece di creare 4 condotti di lunghezza uguale (abbastanza lunghi) prima di inviarli assieme verso la chiocciola della turbina. Sui motori che impiegano turbine Twin-Scroll, vi sono sempre i condotti sdoppiati in modo da avere due coppie di collettori che viaggiano sempre separati verso la chiocciola del turbo che – nelle turbine twin-scroll – ha due condotti separati fino alla turbina stessa (doppia chiocciola con due differenti disegni).
Collettori di scarico nei motori turbodiesel.
Sui motori turbodiesel, nella quasi totalità dei casi, vi sono condotti semplici che raccolgono tutte le 4 uscite e le convogliano sulla chiocciola del turbo. Questo per via del già citato range di utilizzo che è più breve rispetto ai motori turbo-benzina che possono raggiungere tranquillamente 6500-7000 giri al minuto (molto di più in versione aspirata).
Pulsazioni e onde all'interno dei collettori.
Qui veniamo all'aspetto complesso. Abbiamo infatti parlato di cosa succede intervenendo sullo scarico del motore ed abbiamo visto come sono di solito progettati i vari tipi di collettori di scarico. Quello di cui non abbiamo ancora parlato sono i motivi di queste scelte e delle relazioni tra prestazioni e fluidodinamica. Se parliamo dello scarico dei fumi di una cucina, le cose sono molto più semplici e sono legate solo alla contropressione. Abbiamo un ventilatore (una sorta di debole compressore) ed una tubazione. Il flusso dei gas è costante, per scaricare più facilmente i fumi di una cucina, dovremmo cercare di ottenere un condotto che abbia queste caratteristiche:
Lunghezza minore possibile
Diametro maggiore possibile
Minori variazioni di sezione possibile
Minori curve possibile
In un motore a scoppio o Diesel, i flussi non sono costanti e non si può solo ragionare in termini di contropressione, per immaginare cosa succede in un condotto (cosa non semplice e che comunque dipende dal disegno di tutto il motore) possiamo pensare alla fase di scoppio/combustione che avviene quando il pistone è nella posizione PMS, l'aumento repentino di pressione, fa scendere il pistone verso il PMI (unica fase attiva del motore) poi – risalendo ancora verso il PMS – si apre la valvola di scarico ed i gas iniziano a fuoriuscire.
In questa fase vi è un transitorio nel quale vi è un picco di pressione che sale progressivamente via via verso il percorso del collettore di scarico (poi nel catalizzatore, FAP, silenziatore ed altri elementi dello scarico) seguito da un picco inverso (più debole) che crea una depressione in senso inverso al percorso dei gas. Questo picco di depressione, richiama i gas dal cilindro attraverso la valvola di scarico ancora aperta favorendone il lavaggio del cilindro.
Non solo. In base al tipo di motore ed alla messa a punto, vi è una fase (chiamata overlap) nella quale sia la valvola di scarico che quella di aspirazione sono parzialmente aperte; questa condizione fa si che la depressione formata nel collettore di scarico, richiami parzialmente anche il flusso in entrata (solo aria se trattasi di motore Diesel o a iniezione diretta di benzina, miscela di aria e benzina sui motori a ciclo Otto con iniezione indiretta) aumentando la coppia del motore.
La dinamica dei fluidi viene influenzata dal diametro del condotto, dalla sua forma, dalle variazioni di sezione e dalla sua lunghezza. I collettori di scarico (ed anche quelli di aspirazione) con tutti gli elementi che seguono fino al terminale di scarico, sono sempre e comunque dei compromessi. Questo perché l'intero impianto di scarico adatto ad un motore che ruota a 1000 giri al minuto è completamente diverso da un impianto di scarico adatto ad un motore che ruota a 6000 giri al minuto. Il primo motore avrebbe bisogno di collettori relativamente lunghi e sottili nel primo tratto, il secondo motore avrebbe bisogno di collettori più corti e con il maggiore diametro. Ogni auto monta un sistema di scarico progettato per non avere eccessiva contropressione ai regimi elevati senza compromettere troppo il rendimento ai regimi bassi.
Rimozione di catalizzatore, filtri anti-particolato e silenziatori.
Quando uno o più di questi elementi vengono rimossi, si ottiene di solito un vantaggio ai giri medio-alti per via della migliore fluidodinamica derivante dalle minori variazioni di sezione e dal minore ostacolo ai gas di scarico derivante appunto dalla rimozione di elementi che in qualche modo rallentano il flusso dei gas e quindi creano contropressione.
La rimozione di questi elementi però, fa variare quasi sempre anche l'accordatura che esiste nel complesso degli elementi appena citati. Quello che succede quasi sempre nella pratica è che il motore migliora l'erogazione di potenza ai regimi medio-alti perché – a questi regimi – i benefici della minore contropressione superano gli svantaggi del minore sfruttamento delle onde di depressione che si creano nell'impianto di scarico.
Viceversa, ai regimi bassi (dove la quantità dei gas è di gran lunga inferiore) i benefici delle minore contropressione diventano irrilevanti rispetto alla parziale perdita dello sfruttamento delle onde di depressione che si creano nell'impianto di scarico, ecco che il motore perde di coppia in quanto non vi è un aiuto nel richiamare aria o aria/benzina dai collettori di aspirazione da parte del sistema di scarico.
Nei motori turbocompressi la turbina spezza parzialmente queste onde di pressione e depressione e ne modifica in parte la dinamica, quindi può rendere meno sensibile il sistema alle variazioni sul sistema di scarico. Anche nei motori turbo però, la rimozione di catalizzatore e/o eventuale filtro anti-particolato può generare fenomeni di perdita di coppia ai bassi giri. Per ovviare in parte a questo fenomeno, esistono dei condotti studiati per sostituire catalizzatori e DPF che consentono di ridurre la contropressione senza rinunciare allo sfruttamento delle onde di depressione che si vengono a creare.
In sostanza, lo svuotamento di un catalizzatore o di un filtro anti-particolato, può essere vantaggioso per via della minore resistenza che oppone al passaggio di grandi volumi di gas, mentre un cilindro vuoto con diametro molto maggiore rispetto al tubo di scarico (la sezione di un CAT o DPF può essere anche 10 volte maggiore rispetto alle tubazioni di entrata e uscita) spezza l'effetto inerziale del flusso di gas che crea onde di depressione utili ai regimi più bassi.
Come detto, si tratta sempre di un compromesso, un impianto di scarico con condotti di grande sezione e molto corti, può essere adatto ad un utilizzo in pista dove il motore non lavora mai a bassi giri. In condizioni normali, dove spesso si scende a regimi bassi, è necessario trovare un equilibrio tra erogazione a regimi ridotti e buona potenza ai regimi medio-alti.
Speriamo che questo ostico argomento ti sia stato reso più digeribile attraverso questo articolo tecnico, come sempre ti invitiamo a tornare a leggerci nei prossimi giorni ed a condividere con i tuoi amici questa nostra sezione. Alla prossima!

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