I collettori di aspirazione ottimizzati migliorano l’efficienza del motore?

Come la progettazione del collettore di aspirazione influisce direttamente sull'efficienza volumetrica e su quella termica

L'efficienza volumetrica come fattore fondamentale che determina l'efficienza della combustione

L'efficienza volumetrica, o VE per brevità, indica fondamentalmente quanto bene un motore riesce a immettere aria nelle camere dei cilindri rispetto alla quantità che potrebbe fisicamente contenere. Quando la VE aumenta, cresce anche la densità della miscela aria-carburante nella camera di combustione, il che comporta una combustione più efficace e una maggiore potenza in uscita. La forma e le dimensioni del collettore di aspirazione svolgono un ruolo fondamentale in questo contesto. Le lunghezze delle canalizzazioni (runner) e le dimensioni del plenum generano diversi schemi di flusso d’aria, basati su principi fisici come l’inerzia e le onde di pressione. Ad esempio, canalizzazioni più lunghe tendono a funzionare meglio a regimi di rotazione più bassi, poiché sfruttano gli effetti di risonanza acustica; quelle più corte, invece, consentono all’aria di muoversi più velocemente a regimi più elevati, sebbene sia sempre presente un certo compromesso. La maggior parte degli operatori osserva che un incremento della VE di circa il 10% si traduce generalmente in un guadagno di potenza compreso tra 3 e 5 cavalli vapore, poiché il carburante viene bruciato in modo più completo. Attenzione però ai progetti scadenti di collettori: questi possono causare ogni sorta di problema, inclusi flussi d’aria turbolenti o persino un flusso inverso verso l’aspirazione, con conseguente carenza di carburante in alcuni cilindri e aumento delle emissioni di idrocarburi non bruciati.

Perché l'efficienza volumetrica massima non garantisce necessariamente l'efficienza termica massima: il ruolo della temperatura della carica e della fase di combustione

Limitarsi a massimizzare l'efficienza volumetrica (VE) non garantisce necessariamente la migliore efficienza termica, poiché fattori come la temperatura della carica e la fase di combustione hanno un'importanza parimenti rilevante. Quando i collettori di aspirazione si surriscaldano, possono innalzare la temperatura dell'aria in ingresso di circa 15–20 gradi Celsius. Ciò riduce la densità di ossigeno, anche se l'efficienza volumetrica appare soddisfacente su carta. Per contrastare i fenomeni di detonazione (knock), i motori sono costretti a funzionare con miscele carburanti più ricche, con una perdita di circa il 7–9% dei possibili guadagni energetici. Allo stesso tempo, quando il flusso d'aria non è distribuito in modo uniforme lungo i condotti di aspirazione, i diversi cilindri ricevono quantità variabili di aria e carburante. Le miscele più povere tendono ad accendersi in ritardo rispetto al momento ottimale, mentre quelle più ricche possono detonare prematuramente. Entrambe queste situazioni compromettono le prestazioni complessive del motore. Per ottenere effettivi miglioramenti dell'efficienza termica, gli ingegneri devono bilanciare l'ottimizzazione della VE con una corretta gestione della temperatura della carica. Se questi elementi non operano in sinergia, tra il 10% e il 12% dell'efficienza termica potenziale va semplicemente perso, indipendentemente da quanto elevata possa essere la VE. È per questo motivo che le moderne progettazioni di motori integrano soluzioni quali rivestimenti termicamente isolanti, camere di collettore (plenum) isolate termicamente e superfici dei condotti di aspirazione raffreddate in modo specifico, per affrontare direttamente queste sfide.

Collettori di aspirazione di lunghezza ottimizzata: ottimizzazione mirata al regime di rotazione (RPM) e compromessi tra efficienza e prestazioni nella pratica

Sintonizzazione della risonanza, dinamica delle onde di pressione e il loro impatto sul consumo di carburante a parziale apertura della valvola a farfalla

La sintonizzazione per risonanza funziona sfruttando onde di pressione che si propagano attraverso i condotti di aspirazione per migliorare il riempimento dei cilindri a determinati regimi di rotazione del motore. Quando la valvola di aspirazione si chiude, si genera un’onda di compressione che risale il relativo condotto. Se tutti i parametri sono correttamente calibrati, quest’onda ritorna esattamente nel momento in cui la valvola successiva si apre, generando un effetto simile a un sovralimentatore. Questo fenomeno è chiamato sovralimentazione per inerzia, poiché consente al motore di aspirare una maggiore quantità d’aria senza richiedere componenti meccanici aggiuntivi. A parziale apertura della farfalla, condizione in cui i motori dissipano molta energia opponendosi alla resistenza offerta dalla valvola stessa, una buona sintonizzazione per risonanza riduce effettivamente lo sforzo richiesto al motore per aspirare l’aria. Secondo alcuni studi SAE pubblicati lo scorso anno, sistemi di questo tipo possono consentire alle autovetture di consumare circa il 4–6% in meno di carburante durante la guida urbana. Il motivo principale? Una minore dispersione di energia e prestazioni migliorate quando il motore non opera a regimi elevati. Tuttavia, ecco l’aspetto critico: la maggior parte dei collettori di aspirazione a lunghezza fissa funziona bene soltanto in fasce molto ristrette di regime motore. Gli ingegneri devono quindi scegliere tra una buona risposta a basso regime oppure una potenza elevata ad alto regime, poiché ottenere entrambe le caratteristiche contemporaneamente non è possibile con le configurazioni standard.

Studio di caso: collettore di aspirazione a lunghezza variabile in un motore turbo a sei cilindri in linea e il relativo incremento di coppia del 7,2% a bassi regimi di rotazione con un minimo impatto sull’efficienza

Il motore a sei cilindri in linea sovralimentato in questione è dotato di un collettore di aspirazione a doppio percorso controllato elettronicamente. Quando funziona al di sotto di circa 3.500 giri/min, il sistema attiva condotti di aspirazione più lunghi, che incrementano la coppia alle basse velocità grazie a una maggiore densità dell’aria. I test hanno dimostrato che questa configurazione garantisce un miglioramento della coppia erogata pari a circa il 7,2%, rendendo l’auto molto più piacevole da guidare nella quotidianità su strade ordinarie. Il consumo di carburante aumenta effettivamente di meno dell’1% quando tutti i componenti operano ai livelli ottimali, secondo le misurazioni effettuate durante le fasi di collaudo. Tuttavia, una volta superati i 3.500 giri/min, il motore passa a condotti di aspirazione più corti, eliminando eventuali restrizioni al flusso d’aria e mantenendo comunque ottime prestazioni ad alte velocità. Ciò che rende interessante questa tecnologia è la sua capacità di superare il compromesso tradizionale tra prontezza di risposta ed efficienza nei consumi. Una ricerca pubblicata sull’International Journal of Engine Research nel 2023 conferma questi risultati, evidenziando come i sistemi di aspirazione a lunghezza variabile possano effettivamente contribuire a migliorare la distribuzione della potenza alle basse velocità senza penalizzare eccessivamente il consumo di carburante. È per questo motivo che sempre più costruttori stanno adottando questo approccio per i loro motori di serie.

Raffreddamento intermedio integrato e controllo della temperatura di carica all'interno del collettore di aspirazione

Vantaggi dell'aria di aspirazione inferiore a 45 °C: miglioramenti empirici dell'efficienza termica

Mantenere la temperatura dell'aria in aspirazione sotto i 45 °C (circa 113 °F) ha dimostrato di migliorare significativamente l'efficienza termica nei motori turbo. Quando l'aria rimane fresca, contiene una maggiore quantità di ossigeno in ogni ciclo di aspirazione del cilindro, il che consente una combustione più efficiente del carburante, un controllo più preciso del momento di accensione e una riduzione del ricorso a carburante aggiuntivo finalizzato esclusivamente a prevenire il battito in testa. Abbiamo testato questo sistema su un motore turbo da 2,3 litri con distribuzione a valvole variabile e intercooler integrato direttamente nel collettore. I risultati sono stati davvero impressionanti: un incremento dell’ordine del 2,3% nell’efficienza termica e una riduzione di circa il 3,1% del consumo di carburante per unità di potenza prodotta, misurata durante i nostri standard test su banco prova. Cosa rende così efficace questo sistema? Raffredda drasticamente le masse d’aria riscaldate dal turbo (solitamente comprese tra 150 e 200 °C) fino a livelli gestibili direttamente presso le luci dei cilindri. Niente più dispersioni termiche attraverso lunghi condotti né ritardi associati agli intercooler tradizionali montati anteriormente. Inoltre, quando le temperature si stabilizzano più rapidamente e rimangono entro fasce più ristrette, la combustione diventa molto più prevedibile in diverse condizioni di funzionamento, determinando proprio quei concreti miglioramenti di efficienza che abbiamo misurato.

Integrazione della distribuzione del carburante: posizionamento degli iniettori e ottimizzazione della distribuzione aria-carburante nel collettore di aspirazione

La posizione degli iniettori all'interno del collettore di aspirazione influisce notevolmente sull'efficienza della combustione, poiché determina sia la finezza con cui il carburante si atomizza sia l'uniformità della miscela che raggiunge ogni cilindro. Quando gli iniettori sono montati più in alto all'interno di quei lunghi condotti, il carburante ha più tempo per vaporizzarsi prima di raggiungere la camera di combustione. Ciò contribuisce effettivamente a raffreddare la carica d'aria in entrata e ad aumentare la potenza massima erogata. D'altro canto, posizionare gli iniettori più vicino alle valvole di aspirazione migliora la prontezza di risposta dell'acceleratore, poiché si riduce la quantità di carburante che aderisce alle pareti dei condotti o che rimane stagnante dopo lo spegnimento del motore. La maggior parte delle moderne configurazioni motoristiche utilizza ormai sistemi di iniezione duali: questi combinano l'iniezione convenzionale nel collettore (port fuel injection), impiegata quando il motore non è sottoposto a carico elevato, con l'iniezione diretta, attivata quando è richiesta la massima potenza. Tuttavia, anche con queste soluzioni avanzate, gli ingegneri continuano a incontrare difficoltà nel bilanciare perfettamente tutti i parametri coinvolti. La geometria dei condotti di aspirazione non è sempre simmetrica; pertanto, è necessario regolare accuratamente la temporizzazione e altri parametri per garantire un flusso d'aria uniforme tra tutti i cilindri. Se tali squilibri non vengono corretti, alcuni cilindri potrebbero funzionare con una miscela più ricca, mentre altri con una miscela più povera: secondo ricerche SAE, ciò può ridurre l'efficienza complessiva del motore fino al 5%. Garantire una distribuzione costante del carburante in tutte le condizioni di guida richiede approcci ben oltre i semplici test di portata. Gli ingegneri devono infatti mappare con precisione la traiettoria del carburante mediante simulazioni al computer che tengano conto delle variazioni reali di pressione e temperatura verificatesi durante il funzionamento effettivo del motore.