Il viaggio
esplorativo che abbiamo iniziato nel reparto sviluppo dei motori Ducati,
descrivendo la sua metamorfosi e che abbiamo continuato spiegando il
processo di verifiche alle quali viene sottoposto un propulsore prima
che arrivi alla produzione, termina con la descrizione delle attività
di ricerca svolte da un gruppo di giovani e preparati ingegneri, coordinati
dall’Ing. Cugnetto responsabile del reparto stesso.
Tali attività vengono effettuate per indagare l’efficacia
di particolari modifiche fatte sui singoli componenti dei motori di
serie, con la finalità di ottimizzare i rendimenti e migliorare
l’affidabilità.
Nel corso di queste ricerche, vengono anche analizzate e testate delle
strumentazioni innovative che possono poi essere utilizzate nel lavoro
di routine del reparto, portando evidenti benefici sulla qualità
del prodotto finale.
Di seguito, descriviamo in sintesi le attività di ricerca, che
possono essere così suddivise: analisi dell’andamento della
pressione in camera di combustione, sua correlazione con quella nel
sistema di aspirazione e scarico, metodologie di analisi dei gas di
scarico, simulazione con il banco dinamico, misura delle vibrazioni,
misure estensimetriche, tecniche di flussaggio con analisi dei moti
turbolenti nel cilindro, misure di posizione.
La rilevazione della pressione in camera di combustione, viene utilizzata
principalmente per valutare la “parte calda” del motore
(cioè i gruppi termici formati da: testa, cilindro, pistone,
condotti di aspirazione e scarico, profili camme e relative fasature).
Il primo fondamentale elemento che è possibile ottenere con la
misura della pressione in camera (il sensore è inserito nel volume
di combustione della testa) è il ciclo indicato, che mostra l’evoluzione
della pressione stessa in relazione alla variazione del volume nel cilindro,
dovuta al movimento del pistone.
Questo diagramma è fondamentale per determinare il lavoro generato
dal propulsore (individuato dall’area superiore del ciclo) e quello
di pompaggio perso (individuato dall’area inferiore del diagramma
e speso cioè per introdurre la miscela aria-combustibile all’interno
del cilindro ed evacuare dallo stesso i gas combusti).
Con il ciclo descritto è possibile determinare la Pressione Media
Indicata presente nei cilindri, intimamente legata al lavoro utile che
effettivamente il motore fornisce durante le quattro fasi di funzionamento
(sostanzialmente quello generato meno quello perso). Il segnale di pressione
in camera è importante anche per avere delle indicazioni sul
processo di sviluppo della combustione della miscela aria-benzina.
Se si relaziona, infatti, l’andamento di tale pressione con i
gradi di rotazione dell’albero motore, è possibile costruire
la curva della frazione di massa della miscela bruciata. Essa permette
di capire come si sviluppa il processo di combustione dall’istante
in cui scocca la scintilla tra gli elettrodi della candela.
E’ dunque possibile fare delle valutazioni indirette sui moti
turbolenti in camera, sulla propagazione del fronte di fiamma, sulla
densità della miscela e sulla sua concentrazione intorno alla
candela stessa. Tali valutazioni sono ovviamente correlate con diversi
parametri, come ad esempio la forma e le dimensioni della camera di
combustione, per i quali è dunque possibile testare i miglioramenti,
ottenuti con alcune specifiche modifiche.
La pressione in camera di combustione, correlata con il movimento angolare
dell’albero motore, consente anche di indagare gli effetti dell’anticipo
dell’accensione sul valore massimo raggiunto dalla pressione stessa
e sull’andamento della sua curva. Questa analisi permette, dunque,
di mettere perfettamente a punto il sistema di accensione e consente
di analizzare in modo approfondito il fenomeno della detonazione (chiamato
in gergo battito in testa a causa del caratteristico rumore che provoca),
rilevando quali sono le condizioni limite di funzionamento in cui si
verifica.
Dal segnale di pressione è infatti possibile capire quando si
presenta la detonazione (pericolosissima poiché mette a rischio
l’integrità meccanica delle parti del motore direttamente
coinvolte nel processo di combustione), evidenziata da un andamento
frastagliato della curva nella zona del suo massimo valore.
Una strumentazione specifica è in grado di processare questo
segnale e di isolare la sua componente, dovuta unicamente al battito
in testa. Controllando l’intensità di tale componente,
si può poi stabilire se il fenomeno assume proporzioni pericolose
o se è tollerabile. La strumentazione di controllo può
fare anche delle valutazioni sul numero di volte che la detonazione
si presenta, ottenendo un ulteriore fondamentale parametro impiegato
ancora per identificare l’effettiva pericolosità.
Sempre per rilevare il battito in testa è possibile utilizzare
un particolare accelerometro, realizzato con un cristallo di quarzo,
che messo in movimento dalle vibrazioni, genera un segnale di tensione
(effetto piezoelettrico). Tale tensione ovviamente è causata
sia dalle vibrazioni dovute al movimento degli organi meccanici, che
da quelle provocate da una combustione anomala (appunto la detonazione).
Poiché quest’ultime hanno frequenze caratteristiche, è
possibile isolare le relative componenti nel segnale di tensione, utilizzando
particolari filtri elettronici.
L’analisi dell’ampiezza di tali componenti permette poi
logicamente di fare delle valutazioni sull’intensità della
detonazione, esattamente come accade nel processo del segnale di pressione
in camera. Una terza attività, che può essere condotta
sfruttando la correlazione della pressione nel cilindro con quella presente
nel sistema di aspirazione e scarico, permette invece di fare interessanti
valutazioni in funzione della posizione angolare dell’albero motore.
E’ infatti possibile studiare l’andamento delle pulsazioni
di pressione nel sistema aspirazione – cilindro – scarico,
per capire in quali condizioni esso può favorire le prestazioni
del motore (l’analisi assume naturalmente un'importanza determinante
nell’incrocio tra fase di scarico e quella di aspirazione e nei
punti in cui si stanno chiudendo le valvole di aspirazione e scarico).
Per monitorare l’inquinamento del motore, anche al di fuori della
sua zona di funzionamento imposta quando si applica il ciclo di omologazione
previsto dalle attuali normative, si effettuano attività particolari
relative all’analisi dei gas.
Brevemente, si ricorda che il ciclo di omologazione per gli inquinanti
prevede di mantenere delle specifiche velocità del veicolo per
determinati intervalli di tempo, durante i quali vengono misurate le
sostanze nocive emesse allo scarico e limitate dalla normativa.
I test messi a punto nel reparto sviluppo motori della Ducati, vengono
logicamente effettuati con il banco prova dinamico, che permette di
riprodurre diverse condizioni di funzionamento del motore, presenti
nell’uso reale della moto. Specifici software elaborano i dati
rilevati dagli analizzatori dei gas di scarico e consentono di risalire
al peso di inquinanti prodotti per chilometro percorso (g/Km).
Con la metodologia di indagine appena descritta è ovviamente
possibile far funzionare il propulsore in modo da riprodurre anche il
ciclo di omologazione, rilevando sempre gli inquinanti prodotti in g/Km.
I tecnici possono così fare le prime valutazioni che aiuteranno
nella successiva procedura di messa a punto complessiva del veicolo,
che comprende anche l’analisi della guidabilità del mezzo
(e cioè la fluidità dell’erogazione in tutte le
condizioni di utilizzo, relazionata anche con le massime prestazioni
raggiungibili e l’inquinamento generato).
E’ ovvio che il banco dinamico è uno strumento di fondamentale
importanza, poiché oltre a simulare qualsiasi condizione di funzionamento
del propulsore, permette di controllare perfettamente quelle al contorno
(tipicamente le temperature e le pressioni), che inevitabilmente influenzano
i risultati dei test.
In questo modo, quando occorre quantificare i miglioramenti introdotti
con delle modifiche apportate sul motore, è possibile valutare
i risultati ottenuti unicamente in base alle modifiche stesse (tali
risultati non sono cioè “inquinati” da parametri
variabili non controllati).
Questo banco viene utilizzato per determinare, sempre in condizioni
simulate e perfettamente riproducibili, anche la reale portata d’aria
aspirata dal motore, influenzata non solo dalla caratteristica fluidodinamica
dei condotti della testa e più in generale dal rendimento volumetrico
del propulsore, ma anche dall’air box e dai tubi che lo collegano
con le prese dinamiche di ammissione, posizionate sul cupolino.
Questa misura viene effettuata utilizzando un grande volume (necessario
per riprodurre le condizioni stazionarie di aspirazione del motore in
atmosfera), all’ingresso del quale è posizionato un misuratore
di portata.
Essa permette dunque di valutare l’efficacia delle modifiche apportate
ai sistemi di aspirazione, verificando, in condizioni reali, se effettivamente
è aumentata l’aria che il motore è in grado di introdurre
all’interno dei cilindri, mentre viene miscelata col carburante
nebulizzato dagli iniettori (gestiti dal sistema controllo motore).
Le attività di ricerca effettuate nel reparto sviluppo motori
della Ducati, coordinate dall’Ing. G. Cugnetto, sono finalizzate
anche allo studio delle vibrazioni. Le rilevazioni vengono utilizzate
in sede di progettazione, per limitare il livello delle vibrazioni stesse,
che hanno influenza non solo sul comfort, ma anche sulla affidabilità
di particolari componenti del motore, a causa delle sollecitazioni meccaniche
provocate.
Così, ad esempio, si misurano le vibrazioni torsionali dell’albero
motore, utilizzando degli encoder (sensori di posizione angolare) montati
sulle sue due estremità (sostanzialmente questi dati vengono
messi in relazione per analizzare le ampiezze dei loro sfasamenti e
le dinamiche degli stessi). In altri casi, con gli accelerometri piezoelettrici,
si rilevano le vibrazioni che si generano sui gruppi termici del motore
e che possono provocare danni agli elementi ad essi collegati (esempio:
le bobine a sigaro inserite nel pozzetto della candela). Le misure estensimetriche
permettono invece di monitorare la sollecitazione (la tensione) cui
vengono sottoposti particolari componenti del propulsore, come ad esempio
i prigionieri che consentono di fissare il cilindro e la testa sul carter
del motore e che sono sottoposti a trazione, non solo a causa della
coppia di serraggio, ma anche dalla pressione che si genera nel cilindro
durante la combustione.
Le tecniche di flussaggio vengono invece effettuate con un particolare
banco (detto appunto di flussaggio), in grado di rilevare la portata
d’aria che attraversa i condotti di aspirazione e scarico. Naturalmente,
i test non vengono fatti unicamente per ottimizzare la forma di questi
condotti (determinante specialmente in prossimità delle sedi
valvole), ma anche per indagare sui moti turbolenti che si generano
all’interno del cilindro.
Tali moti (tipicamente di swirl o tumble) influenzano in modo sostanziale
la combustione e dunque il funzionamento del motore (la sua prestazione,
la fluidità dell’erogazione e la generazione degli inquinanti).
Infine, descriviamo brevemente le misure di posizione finalizzate a
ricerche di diversa natura, tra le quali possiamo, ad esempio, citare
quelle relative al sistema della distribuzione. Durante questi test
viene usato il banco di motoring (il propulsore spento è trascinato
da un motore elettrico) e si analizza il movimento della valvola per
capire i reali moti generati dal sistema desmodromico.
Importantissimo è lo studio dei rimbalzi del fungo sulla sede
dopo che è avvenuto il loro primo contatto. Queste indagini permettono
infatti di progettare le camme e i bilancieri in modo da migliorare
sensibilmente l’affidabilità della distribuzione utilizzata
sui motori Ducati.
