Tecnologia dei collettori di aspirazione – Trasferimento di tecnologia, Parte IV

Chiavi per una maggiore potenza attraverso i collettori di aspirazione e i componenti del sistema a induzione

Vedi tutti i 10 fotoswpengineWordsJan 7, 2003

Nota dell’editore: per quanto inanimati possano apparire come collettori di aspirazione, essi forniscono un percorso per i maggiori e minori guadagni di potenza su binario. La selezione è una cosa, “sintonizzarli” su applicazioni specifiche è una miscela di abilità e tecnologia. Questa storia va dritta al cuore della seconda.

È opportuno che il collettore di aspirazione sia montato sulla parte superiore del motore. Dopo che gli eventi della valvola sono stati selezionati, l’aspirazione è il dispositivo di messa a punto primario per un motore a quattro tempi ad accensione a scintilla, così come la camera di espansione è per un due tempi. Nel caso di un V-8 a carburatore, la funzione del collettore di aspirazione è quella di separare le cariche di aria/carburante in entrata e di indirizzarle nella testata. La sintonizzazione diventa la seconda funzione del collettore.

Distribuzione della carica di aria/carburante Mentre molti articoli hanno discusso come i collettori di aspirazione si sintonizzano e come selezionare il collettore appropriato per il vostro motore, pochi discutono la variazione del rapporto aria/carburante da cilindro a cilindro. Questo è un fattore critico nella messa a punto del motore perché la miscela può essere appoggiata solo fino al punto in cui il cilindro più magro è al suo limite operativo. Con i sistemi di induzione a singolo canale (IR) e l’iniezione elettronica del carburante, la variazione può essere regolata a meno di 0,5 di un rapporto aria/benzina. I motori V-8 carburati hanno tipicamente una variazione significativamente peggiore che può essere fino a quattro rapporti aria/benzina dal cilindro peggiore al migliore.

Le forze g angolari possono avere un effetto significativo sulla distribuzione della miscela. Questo si può vedere quando si confrontano i dati del rapporto aria/carburante del dinamometro con i dati in pista. La Figura 1 mostra i dati del rapporto aria/benzina in pista da un motore GM ARCA a 1,5 miglia e mezzo di binario ad alta velocità. Tutti e quattro i getti principali del carburatore erano identici. I dati mostrano una variazione da 12,0:1 per il cilindro n. 2 (a 8.100 giri/min) a 15,0:1 per il cilindro n. 1 a 7.700 giri/min (vedi cerchi). Per una potenza ottimale, tre variazioni del rapporto aria/benzina da cilindro a cilindro non sono una condizione auspicabile. Quando è stato testato sul banco dinamometrico, questo collettore ha mostrato una variazione del rapporto aria/benzina di 2,0-2,5, verificando così le differenze intrinseche tra il rapporto distribuito su un banco dinamometrico per motori e sulla pista.

La figura 2 confronta le medie del rapporto aria/carburante dalla riva sinistra (cilindri 1,3,5,7) alla riva destra (2,4,6,8) di un motore V-8 con ordine di accensione 1-8-4-3-3-6-5-7-2. Come ci si potrebbe aspettare, i dati mostrano l’impatto delle forze g che rendono la sponda destra più ricca di quella sinistra. Ovviamente, questo effetto sarà più pronunciato sulle piste con carichi in curva elevati e può essere minimizzato scaglionando il carburatore. Questo esempio è stato scelto perché dimostra chiaramente il punto. Non tutti i collettori ne risentono gravemente.

Miglioramento della distribuzione da cilindro a cilindro Se esiste un problema di distribuzione dell’aria/carburante, controllare prima di tutto che il carburatore sia posizionato correttamente sull’aspirazione. Un altro metodo per regolare la distribuzione è quello di spostare o piegare il booster del carburatore rispetto alla gola in cui è installato. (Esercitare la massima attenzione quando si cerca di “piegare” i booster. È anche possibile posizionare piccole “linguette” o “sporgenze” sui corpi del booster per reindirizzare il flusso d’aria nella gola e modificare la direzione del flusso post carburatore). I distanziatori del carburatore possono anche avere un impatto sulla distribuzione (vedere la sezione che tratta dei distanziatori). Spesso un distanziatore a quattro fori o una combinazione di quattro fori e un distanziatore aperto migliorerà la distribuzione da cilindro a cilindro.

Nella migliore delle ipotesi, lavorare con il collettore stesso per migliorare la distribuzione è difficile e dovrebbe essere tentato solo quando è disponibile un dinamometro con otto canali di sensori del rapporto aria/carburante. La lettura delle candele di accensione potrebbe non essere abbastanza accurata per questo tipo di sviluppo.

Il fattore più significativo che influisce sulla distribuzione dell’aria/combustibile da cilindro a cilindro nel collettore di aspirazione è il rapporto spaziale tra le aperture di scorrimento nel plenum e la flangia del carburatore. Il pavimento del canale è di solito l’area più sensibile. Regolare l’apertura della guida di scorrimento in modo che “veda” di più del plenum renderà generalmente più ricco il cilindro. Spesso i cilindri centrali avvolgono i cilindri finali in un motore a V. Un attento disaccoppiamento dei cilindri finali può arricchire un cilindro che gira magro.

Selezione del collettore In genere, la selezione della configurazione del collettore è limitata per le applicazioni con guida circolare. Le scelte sono a singolo piano o a doppio piano. Di solito, la velocità di funzionamento del motore determina la configurazione del collettore. Se il picco di potenza del motore è inferiore a 6.500 giri/min, allora un doppio piano è molto probabilmente il collettore di scelta. Se il picco di potenza si sposta significativamente al di sopra dei 6.500 giri/min, allora la scelta si sposta su un singolo piano. La scelta diventa più complicata quando la velocità di funzionamento del motore è a metà strada. In questo caso, non c’è una risposta chiara, quindi i test racconteranno la storia. Se ben sviluppato, un doppio piano può essere più reattivo e può essere la scelta del pilota.

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Non scontare le molteplici influenze dei collettori di aspirazione Questi possono creare o rompere una buona serie di testate di cilindri … o essere facilmente imperfetti da un uso improprio o da una modifica. Ma indipendentemente dal design o dal marchio scelto o dalle modifiche apportate, ci sono alcuni elementi essenziali da tenere a mente.

I collettori di aspirazione non scorrono in una sola direzione. Ci sono momenti, a seconda del regime del motore e del carico, in cui gli impulsi sono diretti indietro verso il carburatore (o il punto di ingresso dell’aria). Tecnicamente, questo descrive il flusso bidirezionale, a stato instabile. Nonostante l’etichettatura, questi impulsi di “flusso inverso” sono dirompenti per la qualità del flusso d’aria e della miscela aria/carburante (omogeneità). Entrambe le condizioni possono compromettere la potenza. Pertanto, ci sono solo alcune caratteristiche del collettore di aspirazione che possono essere valutate su un banco del flusso d’aria, sebbene queste includano la mappatura dei profili di pressione del flusso (distribuzioni di pressione) e modelli di velocità specifici.

È anche importante riconoscere le condizioni di pressione del collettore di aspirazione che favoriscono l’aumento dei residui di combustione incombustibili (principalmente gas di scarico). Ad esempio, le condizioni che creano un certo livello di vuoto del collettore a valvola a farfalla aperta consentono una maggiore contaminazione dell’aria fresca/cariche di carburante rispetto a quando esiste un vuoto quasi nullo quando l’influenza della pressione atmosferica è maggiore. Questo si può trovare sia nei motori limitati o in quelli necessari per far funzionare i carburatori a 2V o i piccoli carburatori a 4V.

In questi casi, i collettori di aspirazione o i distanziatori del carburatore progettati (o modificati) per contrastare il flusso inverso aiutano a minimizzare le miscele diluite e a migliorare la potenza. Un’altra considerazione è rappresentata dagli alberi a camme e dalle porte/valvole di scarico che affrontano il flusso di scarico inverso come ulteriori smorzatori sulla reversione, in particolare per quanto riguarda i tempi di apertura dei gas di scarico. Queste determinazioni possono essere effettuate su un banco d’aria tramite porte di flusso in direzione inversa, in particolare in presenza di bassi sollevamenti delle valvole. Ma si divaga.

Nel complesso, il problema di cambiare la direzione del flusso d’aria e del carburante da una direzione approssimativamente verticale agli angoli d’ingresso dei canali del collettore di aspirazione è cruciale per fornire una miscela combustibile efficiente. Inoltre, l’aria tende a rispondere più rapidamente ai cambi di direzione dell’acceleratore rispetto al carburante. Aria e carburante sono anche inclini a separarsi. In questo senso, la preparazione della miscela aria/carburante post-combustibile diventa una funzione del collettore di aspirazione. Anche la finitura superficiale all’interno di un collettore può svolgere un ruolo, tendendo verso superfici ruvide invece che lisce, al fine di contribuire a creare o mantenere un’efficiente atomizzazione del carburante post-carburatore.

Anche se può essere difficile separare la necessità di qualità della miscela dal flusso d’aria netto, ciascuno di essi deve essere considerato vitale per la corretta funzione del collettore. Se i costruttori di motori a tazza non riconoscevano questo come chiave per l’ottimizzazione della potenza, la quantità eccessiva di tempo e di spesa dedicata alle applicazioni del collettore di aspirazione e del carburatore distanziatore (o limitatore) non sarebbe stata spesa. E mentre il costruttore di motori del sabato sera potrebbe non avere le risorse per affrontare questi problemi in modo simile, un uso abile dei banchi del flusso d’aria può essere un sostituto adatto. Un ingrediente importante è acquisire familiarità con le varie tecniche dei banchi d’aria che vanno oltre la semplice misurazione del flusso di massa, per includere i modelli di pressione e la qualità del flusso d’aria.

Come molti componenti del motore, la selezione del collettore di aspirazione (come le regole lo permettono) dovrebbe includere specifici intervalli di velocità del motore più frequentemente utilizzati. Mentre i numeri di potenza di picco possono essere impressionanti, o applicabili in determinate situazioni, la produzione di coppia entro un intervallo di giri previsto è importante per le prestazioni complessive delle auto da corsa.

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Anche la lunghezza dell’asta gioca un ruolo importante. Poiché la velocità del pistone intorno al TDC è diminuita (con l’aumento della lunghezza dello stelo), è utile utilizzare collettori di aspirazione e dimensioni delle porte di ingresso che tendono verso aree di sezione più piccole che favoriscono la velocità del flusso, indipendentemente dai grandi spostamenti del pistone e dagli alti giri/min. La velocità di caduta di pressione lungo il percorso di ingresso (potenziata da pattini più piccoli) aiuta l’efficienza volumetrica nei bassi e medi regimi. Infatti, vale la pena considerare le guide del collettore di aspirazione come estensioni delle porte di aspirazione, che richiedono che siano reciprocamente compatibili nel potenziale del flusso d’aria e nell’uniformità della distribuzione della pressione … quest’ultima è particolarmente importante nell’interfaccia tra le superfici del collettore e della testata. I collettori che non riducono il flusso della bocca né (di per sé) superano il flusso della bocca possono essere considerati “estensioni” di una testata.

Siate certi che le indagini dei costruttori di motori Cup includono alcune, tutte o più di queste aree che influenzano la funzione complessiva del collettore di aspirazione. Allo stesso modo, il costruttore di motori del sabato sera può scegliere e applicare quelle che sembrano adattarsi a particolari requisiti di potenza o in pista.

Il volume più piccolo possibile Nelle corse su pista in cerchio, è generalmente meglio affrontare lo sviluppo (o la modifica) di molteplici sviluppi (o modifiche) iniziando con il più piccolo volume complessivo possibile e aumentando il volume fino a quando non si osserva alcun guadagno di potenza. Avendo il volume più piccolo possibile, il motore sarà più reattivo ai cambi di acceleratore e sarà generalmente più facile da guidare. Per loro natura, i collettori a volume più grande rispondono meno rapidamente, ma possono funzionare meglio a regimi più elevati.

Collettori di aspirazione “Tuning” Quando si modificano i collettori di aspirazione, i tre elementi di sintonizzazione più comuni sono la lunghezza del canale, il cono del canale e il volume del plenum. Utilizzando un programma di simulazione del motore (ESP), gli esempi (grafici) forniti in questa sezione sono stati creati modellando un motore ARCA. Gli ESP sono modelli monodimensionali che eseguono il calcolo delle onde e sono utili nella progettazione dei sistemi di aspirazione e di scarico. Questi programmi per computer di fascia alta sono in grado di prevedere l’efficienza volumetrica di un motore entro il 2% dei dati effettivi di funzionamento.

Lunghezza del corridore La lunghezza del corridore sintonizza un collettore di aspirazione basato su onde di pressione, o suono. Più lunga è la lunghezza del corridore, più bassa è la gamma di velocità del motore in cui la sintonizzazione avrà luogo. Per illustrare questo concetto, sono stati preparati due modelli al computer: un modello di base e un modello con 1 pollice di lunghezza aggiunto a tutti i corridori (senza altre modifiche).

La Figura 3 mostra le curve di potenza e di coppia del motore con i due collettori. Chiaramente, l’aggiunta di 1 pollice di lunghezza del canale aumenta la coppia di picco e sposta il picco di potenza verso il basso di 200 giri/min. La coppia di picco è aumentata di 2,0 lb-ft ma la potenza di picco è scesa di 7,9 bhp (potenza del freno). A 7.600 giri/min, la potenza del collettore più lungo è di 8,3 bhp in meno rispetto alla linea di base. (Anche se queste quantità specifiche possono non essere significative, la loro direzione convalida la teoria alla base del cambiamento).

La Figura 4 mostra la pressione rispetto all’angolo della manovella all’uscita del collettore di aspirazione (giunzione della testa del cilindro) a 7.600 giri/min (picco di potenza per la linea di base). Un aumento della pressione in questo caso significa che la densità di carica è più alta e che si verificherà un migliore riempimento del cilindro (maggiore efficienza volumetrica). Il collettore della linea di base fa un lavoro migliore da poco dopo l’apertura della valvola fino a poco prima della sua chiusura. È interessante notare che entrambi i casi hanno avuto efficienze volumetriche superiori al 100 per cento. I dati relativi alla pressione rispetto all’angolo della manovella mostrano come questo può accadere. Quando la valvola di aspirazione si chiude, c’è una pressione significativa al di sopra della pressione ambiente (pressione) nella porta che fornisce un leggero effetto di sovralimentazione. (Nota: un bar è 14,7 psi o l’equivalente della pressione atmosferica o di un’atmosfera).

Nel complesso, l’obiettivo è quello di riempire il cilindro. Più flusso di massa nel cilindro significa più potenza. La Figura 5 mostra il flusso di massa rispetto all’angolo della manovella, alla valvola di aspirazione a 7.600 giri/min. Maggiore è l’area sotto la curva del flusso di massa rispetto all’angolo della manovella, maggiore è l’energia chimica disponibile per la produzione di energia. Il collettore di corsa più corto intrappola più massa nel cilindro a questo regime di rotazione del motore rispetto al collettore più lungo e, quindi, produce più coppia e più potenza.

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La Figura 6 mostra la pressione rispetto all’angolo della manovella all’uscita del collettore di aspirazione a 6.200 giri/min (picco di coppia). Il canale più lungo fa un lavoro migliore dall’alzata di picco fino alla chiusura della valvola di aspirazione. Anche in questo caso, c’è pressione sopra l’ambien(atmosfera) alla chiusura della valvola di aspirazione, in entrambi i casi.

Oltre alla questione dell’efficienza di riempimento del cilindro e della lunghezza del canale del collettore, la Figura 7 mostra il flusso di massa rispetto all’angolo della manovella alla valvola di aspirazione a 6.200 giri/min. Il canale del collettore più lungo intrappola più massa nel cilindro a questo regime di rotazione del motore rispetto alla linea di base.

Runner taper Taper è il rapporto tra la dimensione dell’apertura di ingresso del corridore e la dimensione dell’uscita dello stesso corridore. L’effetto dell’aumento della conicità (l’apertura è più grande dell’uscita) è quello di accorciare il corridore. Maggiore è la conicità, maggiore è l’effetto di scorcio. La conicità è particolarmente utile quando è difficile accorciare la lunghezza della guida.

Nel precedente modello di aspirazione, i corridori più lunghi di 1 pollice sono stati modificati aggiungendo una quantità significativa di conicità a tutti i corridori per vedere se la potenza poteva essere recuperata. I CV sono migliorati di 11,6 rispetto al solo corridore più lungo e sono aumentati di 3,3 rispetto alla linea di base. Ancora una volta, rivedendo la Figura 4, il miglioramento è da metà sollevamento in apertura a metà sollevamento in chiusura. La Figura 5 mostra ancora una volta dove il cambiamento di pressione influisce sul riempimento della bombola: aumentando il flusso di massa.

Volume del plenum Il plenum controlla l’interazione della pressione (il cosiddetto “cross talk”) o la comunicazione tra le bombole. Un plenum di grandi dimensioni può diminuire la comunicazione mentre la riduzione del volume può aumentare l’interazione. La geometria del plenum può influenzare la riflessione delle onde sonore. Generalmente, un volume maggiore del plenum produce una maggiore potenza di picco, ma danneggia la risposta dell’acceleratore e può influire negativamente sulla coppia di picco.

Per mostrare l’effetto che può avere il volume del plenum, il contenitore a lunga percorrenza (modello a computer) con cono è stato modificato per avere un volume di plenum significativamente maggiore. La potenza a 7.600 bhp è aumentata di 0,9 bhp, anche in questo caso non rappresenta un guadagno significativo ma verifica il concetto. La Figura 8 mostra la pressione rispetto all’angolo di manovella per questo grande collettore di plenum. La pressione al momento dell’apertura della valvola di aspirazione è inferiore rispetto agli altri casi, a causa del maggiore volume del plenum.

Il plenum funge da accumulatore e mantiene una massa maggiore al momento dell’apertura della valvola, consentendo un periodo di soffiaggio più lungo rispetto agli altri collettori. (Nota: questo effetto è utile anche a regimi più bassi sui motori ad “aspirazione limitata”). La Figura 9 mostra il flusso di massa rispetto all’angolo della manovella in questo caso. Il plenum più grande fornisce il suo beneficio all’inizio dell’evento valvola e subito dopo il picco del flusso di massa, se confrontato con il canale conico e più lungo. Il grafico flusso di massa contro l’angolo di manovella mostra il periodo più lungo di soffiaggio, come previsto dal volume del plenum aumentato.

Poche riflessioni sui distanziatori del carburatore Pensate a loro come a strumenti di “messa a punto”. Gli spaziatori possono essere configurati per affrontare condizioni specifiche in un dato pacchetto di motori. Gli spaziatori possono aggiungere volume plenum, fornendo vantaggi già elencati in questa storia. Sono in grado di aiutare a diminuire gli impulsi di inversione, migliorare l’efficienza della combustione e favorire la stabilità dell’erogazione del carburante.

A volte, che ci crediate o no, i distanziatori diventano strumenti diagnostici indicando altri problemi in un motore che richiedono modifiche alle parti di accompagnamento … come la fasatura delle valvole, la fasatura delle scintille, la taratura del carburatore, o la selezione del collettore. CT

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