Ideazione scarico

FASE PRELIMINARE

La progettazione dello scarico per la GP11 è stata basata su una serie di parametri e specifiche:

• Favorire il processo di sostituzione del fluido di lavoro alla fine di ogni ciclo e il riempimento del cilindro con la carica fresca.
• Attenuazione del rumore ( in conformità al regolamento del campionato SuperTwins: “[…] Il limite fonometrico, come da norme generali, è fissato a 100 db/A misurati ad una velocità media del pistone di 11 m/sec con una tolleranza, a fine gara, di 3 db/A […]”).
• Facile accesso organi motore.
• Adattarsi allo spazio disponibile.
• Integrazione con altre parti della moto.

Questi parametri risultano indispensabili per una buona progettazione ma non sono gli unici che sono stati seguiti nel corso del progetto. Cominciamo con ordine ad illustrare come si è agito e in che maniera sono stati affrontati i problemi incontrati. Per prima cosa è bene precisare che un sistema di scarico è strettamente integrato al motore che deve asservire. Per questo motivo in primo luogo è stato necessario conoscere i parametri più significativi del motore in oggetto.

Informazioni generali

• Tipo motore: 4 tempi, raffreddato a liquido DOHC TCSS, due cilindri a V a 90°

• Cilindrata: SV STD 650 cc

• Alimentazione: a carburatori (un carburatore per cilindro)

• Alesaggio: 81,0 mm

• Corsa: 62,6 mm

• Cilindrata totale: 645 cc (322,5 cc per cilindro)

• Redline: 10.500 giri / min (dovrebbe avere il limitatore di giri T.B.D.)

Prestazioni motore

• Potenza massima: 70 hp (51,5 kW) / 9,000 rpm

• Coppia massima: 62 Nm / 7400 rpm

Informazioni alimentazione

• Rapporto di compressione: 11,5 : 1

• Camera di combustione: TSCC (Twin Swirl Combustion Chamber)

• Volume camera di combustione: 30,7 mm

• Angolo valvole: 30° (14° Aspirazione, 16° Scarico)

• Valvola di aspirazione: 31 mm

• Stelo valvola di aspirazione: 4,5 mm

• Valvole di scarico: 25,5 mm, a 16°

• Stelo valvola di scarico: 4,5 mm

• Lift valvola di aspirazione: 8,1 mm

• Lift valvola di scarico: 6,1 mm

Temporizzazione valvola di aspirazione:

• Apertura BTDC (prima del punto morto superiore): 28°

• Chiusura ATDC (dopo il punto morto inferiore): 62°

• Durata: 270°

Temporizzazione valvola di scarico:

• Apertura BTDC (prima del punto morto inferiore): 43°

• Chiusura ATDC (dopo il punto morto superiore): 24°

• Durata: 247°

DIMENSIONAMENTO COLLETTORE PRIMARIO

A partire da questi dati è stato possibile effettuare un primo dimesionamento. In particolare si è fatto riferimento alle formule del libro“Elaboriamo il motore 4 tempi” – Facchinelli. I parametri più significativi in un sistema di scarico sono indubbiamente la lunghezza e il diametro che devono assumere i condotti. Queste due grandezze è possibile ricavarle tramite l'ausilio delle due seguenti formule:

formula diametro

La prima ci permette di calcolare la lunghezza del collettore primario, ovvere quello che va dalla flangia di scarico, al raccordo tra il collettore posteriore e l'anteriore. I gradi durante la fase di scarico sono pari a 247°, come da caratteristiche del motore, mentre i giri del motore sono variabili. La scelta ottimale è effettuare un dimensionamento con i giri del motore equivalenti alla potenza massima e quindi nel nostro caso 9000 rpm. Nonostante questo si è voluto vedere come variava la lunghezza al variare dei giri motore. La seconda formula invece permette di trovare il diametro interno del collettore in dipendenza con il volume di ogni singolo cilindro (ovvero metà cilindrata essendo un bicilindrico) e la lunghezza del collettore primario. I risultati ottenuti, per un range di numero di giri che va da 7500 rpm a 9500 rpm, è riportato nella tabella sottostante. E' bene precisare che di solito il diametro trovato con la formula precedentemente descritta, mal si adatta e genera perdite eccessive. Questo è dovuto essenzialmente alle numerose curvature presenti nel collettore primario, per tale motivo, la sezione del collettore viene generalmente maggiorata del 10% rispetto a quella ottenuta.

Giri motore [giri/min]	Lunghezza primario[cm]	Diametro[cm]	Diametro maggiorato[cm]
7500	71,36	3,41	3,57
7600	70,42	3,43	3,60
7700	69,50	3,45	3,62
7800	68,61	3,47	3,64
7900	67,74	3,50	3,67
8000	66,90	3,52	3,69
8100	66,07	3,54	3,71
8200	65,26	3,56	3,74
8300	64,48	3,58	3,76
8400	63,71	3,61	3,78
8500	62,96	3,63	3,80
8600	62,23	3,65	3,83
8700	61,51	3,67	3,85
8800	60,81	3,69	3,87
8900	60,13	3,71	3,89
9000	59,46	3,73	3,91
9100	58,81	3,75	3,94
9200	58,17	3,77	3,96
9300	57,54	3,79	3,98
9400	56,93	3,81	4,00
9500	56,33	3,83	4,02

Come già detto in precedenza, si è deciso di dimensionare per il numero di giri pari alla potenza massima, ovvero 9000 rpm, ottenendo in tal modo una lunghezza di 600 mm e un diametro di 39 mm.

L'utilizzo di questo metodo ha permesso di adempiere alla prima specifica di progetto in quanto il sistema di scarico è stato ottimizzato favorendo appunto l'evaquazione dei gas combusti e permettendo il riempimento del cilindro con la nuova carica fresca.

POSIZIONAMENTO

Altra caratteristica fondamentale di uno scarico è il posizionamento. Sono disponibili numerose soluzioni più o meno percorribili a seconda delle esigenze. Sia parlando con il team che con l'azienda Exan, si è ritenuta una scelta ottimale posizionare lo scarico ed in particolare il terminale o gli evenutali terminali, al di sotto della sella, fissato al reggisella. Le motivazioni sono molteplici e è opportuno almeno elencarne in parte. In primo luogo uno scarico posizionato sotto la sella permette una migliore distribuzione dei pesi, evitando lo sbilanciamento della moto. Inoltre, essendo una moto da competizione e quindi destinata a compiere curve con un notevole angolo di piega, posizionare degli scarichi laterali, può comportare il fatto che tocchino contro l'asfalto in caso di piega molto accentuata. Per ultimo posizionare lo scarico al centro sotto la sella permette di risolvere i non indifferenti fenomeni di attrito legati all'aereodinamica.

Tutte queste motivazioni combinate tra loro hanno fatto propendere per uno scarico sotto la sella.

LAYOUT

Un sistema di scarico può avere differenti configurazioni, anche se in particolare, almeno per un bicilindrico, sono possibili tre soluzioni. La configurazione 2 in 1, 2 in 2 e 2 in 1 in 2. E' bene precisare cosa significhino queste soluzioni per i meno esperti. Dal momento che i cilindri sono due, lo sono anche gli scarichi quindi i collettori primari per forza di cosa saranno due. Ora si possono presentare alcune alternative riguardo il collettore secondario. Esso può essere il medesimo per entrambi facendo confluire i due collettori in un unico collettore opportunamente dimensionato (2 in 1), oppure i due collettori possono rimanere separati e confluire in due terminali differenti (2 in 2) o infine possono unirsi per poi ridividersi e confluire in due terminali separati (2 in 1 in 2). Scartando l'ultima ipotesi, abbastanza rara e caratteristica solo di alcune case, rimane da vagliare le altre due possibilità. Sempre tenendo come punto di riferimento l'azienda Exan e visionando alcune soluzioni di case motociclistiche, si è pervenuti ad una soluzione. La scelta di un sistema di scarico 2 in 1. Esso è particolarmente vantaggioso per alcuni motivi. In primo luogo in termini di peso. Ovviamente dovendo montare un unico collettore e soprattutto un unico terminale, si riesce a guadagnare approssivamente quasi 3 kg sul peso complessivo e tenendo conto che il regolamento stesso del campionato Supertwins prevede di avere un peso massimo di 125 kg, questo gioca tutto a favore della soluzione 2 in 1. Altro vantaggio però portato da questa scelta è la riduzione della rumorosità. Mettere due terminali infatti aumenta il rumore prodotto dal sistema di scarico e nuovamente si potrebbe sforare il limite imposto dal regolamento. Inoltre il motore adottato è per sua natura particolarmente rumoroso, e l'eccessiva aggiunta di DB Killer per rientrare nel regolamento, comporterebbe una pesante riduzione delle prestazioni. Per tale motivo si è deciso di adottare la soluzione 2 in 1.

DIMENSIONAMENTO COLLETTORE SECONDARIO

Avendo scelto ormai la configurazione più opportuna resta da dimensionare il collettore secondario. Esso deve avere una lunghezza pari o multipla rispetto a quella del collettore primario. Viste le dimensioni complessive della moto e la necessità di aggiungere anche la lunghezza del terminale, per puri problemi di ingombri si è deciso di fare il collettore secondario anch'esso di una lunghezza pari a 600 mm. Discorso diverso merita il diametro. Infatti la sezione deve essere maggiorata di circa il 50% rispetto al collettore primario, dal momento che in esso confluiranno entrambi gli scarichi. Ecco i risultati ottenuti.

Giri motore [giri/min]	Diametro 2 in 1 [cm]
7500	4,38
7600	4,40
7700	4,43
7800	4,46
7900	4,49
8000	4,52
8100	4,55
8200	4,58
8300	4,60
8400	4,63
8500	4,66
8600	4,69
8700	4,71
8800	4,74
8900	4,77
9000	4,79
9100	4,82
9200	4,85
9300	4,87
9400	4,90
9500	4,92

Sempre dimensionando a 9000 rpm si ottiene un diametro di 48 mm.

TERMINALE

Per la progettazione del terminale, si sono presentate due soluzioni, entrambe percorribili. Le configurazioni maggiormente utilizzate sono infatti due e consistono in un terminale ovale, con tappo in carbonio oppure in un terminale cilindrico. Dal momento che le differenze tra le due configurazioni non sono poi così sostanziali, accordandosi con il futuro produttore, si è deciso di progettarli entrambi. Il primo terminale, quello ovale con tappo in carbonio avrà una sezione ad ellisse di 104 x 84 mm e la lunghezza varierà a seconda della lunghezza della moto stessa. Solitamente si mantiene su 500*(2/3) mm, in relazione ai collettori. Lo spessore si aggirerà all'incirca su 0,6 mm.

Il terminale tondo, avrà la medesima lunghezza del precedente e presenterà un diametro di 100 mm, con uno spessore pari al precedente. Entrambe le soluzioni saranno realizzate in titanio, anche per ridurre ulteriormente il peso complessivo della moto.

INCROCIO DEI COLLETTORI

L'incrocio dei collettori è estremamente importante per una configurazione 2 in 1. Sul libro utilizzato, “ Elaboriamo il 4 tempi ” - Facchinelli, è stata proposta una soluzione mostrata in figura.

Fig.1: Incrocio collettori soluzione Facchinelli

Parlando però con il costruttore, questa soluzione è risultata ormai in disuso e poco atta ad una moto da competizione, per questo ne è stata proposta una di differente tipologia, che non presenta una camera trapezioidale all'incrocio dei collettori, ma che fa confluire direttamente i collettori primari nel secondario.

Fig.1: Incrocio collettori soluzione Costruttore

ULTIME CONSIDERAZIONI E MATERIALI

La progettazione del sistema di scarico completo è stata dunque ultimata. Ora è possibile procedere alla sua realizzazione in CAD, eventualmente apportando le modifiche necessarie, qualora si vada incontro a problematiche di diversa natura. Resta da ultimo segnalare due cose importanti. Innanzitutto i materiali che verranno impiegati. Solitamente i materiali più usati per la realizzazione di un sistema di scarico sono titanio, carbonio, alluminio anodizzato ed acciaio inox. Si è deciso, parlando sempre con il produttore, di utilizzare il titanio per le sue caratteristiche ed in particolare per l'estrema leggerezza che permette di ottenere una notevole riduzione di peso. Inoltre il terminale dovrà essere riempito di materiale fonoassorbente, al fine di rientrare nei parametri del regolamento.

Altra particolarità in un sistema di scarico è il posizionamento della sonda lambda e della termocoppia. La prima serve a conoscere se i gas di scarico presentano del combustibile incombusto e quindi per mantenere il rapporto di miscela (kg aria/kg combustibile) entro l'intervallo di efficienza ottimale; mentre la seconda monitora la temperatura all'interno del collettore. Il posizionamento della sonda lambda dipende dal numero di mappature del motore e nel caso in cui sia unica la mappatura, può essere posta dove si preferisce sui collettori, mentre la termocoppia deve essere posizionata a 20 cm dalla valvola di scarico del motore.