Impianto di scarico

L'impianto di scarico è quella parte dei motori termici che serve per l'evacuazione dei gas di scarico.

Questo impianto varia a seconda del tipo di veicolo, così come i suoi componenti:

• Collettore di scarico, non sempre presente come elemento distinto, soprattutto nei motori monocilindrici
• Silenziatore
• Convertitore catalitico o catalizzatore
• Espansione (solo per motori a due tempi)
• Tubo di scarico solo per motori a quattro tempi o che in generale non usano uno scarico a espansione e possono essere muniti o meno di compensatori (giunzioni che mettono in comunicazione i diversi tubi)^[1][2] e di giunzioni (unione tra diversi tubi di scarico in un numero minore di tubi o in un unico tubo), in alcuni casi può essere presente un risuonatore
• Filtro attivo antiparticolato (solo alcuni motori Diesel)
• Valvola Egr per ridurre gli ossidi di azoto rimettendo in circolo i gas di scarico
• Impianto di sovralimentazione che sfruttano i gas presenti nello scarico (sono dispositivi presenti solo in alcuni motori sovralimentati)
  • Turbocompressore, è composto da due giranti, una (condotta) dedicata all'impianto d'alimentazione e una (motrice) dedicata all'impianto di scarico e che ha il compito di trainare la girante condotta attraverso la pressione dei gas di scarico.
  • Comprex, è una macchina che sfrutta le onde di pressione generate dallo scarico

Un sistema di scarico deve essere attentamente progettato per il trasporto di sostanze tossiche e/o nocive lontano dall'utente.
Sale di generatori e forni possono rapidamente riempire uno spazio chiuso con il monossido di carbonio o di altri gas di scarico velenosi, se non sono adeguatamente ventilati verso l'aperto, inoltre, i gas dalla maggior parte dei mezzi di trasporto sono molto caldi con temperature comprese tra i 650 e 1000 °C all'uscita della testata del motore, soprattutto per i mezzi sportivi come nel caso della Formula 1, dove i motori aspirati avevano i gas di scarico a 900 °C ad inizio scarico, temperatura che scendeva a 700 °C alla bocca d'uscita dello scarico, mentre con l'acceleratore chiuso le temperature si attestano sui 140 °C^[3], mentre per le vetture turbo la temperature raggiunge anche i 1000 °C^[4][5]; quindi deve essere resistente al calore e non deve passare attraverso o quasi tutto ciò che può bruciare o può essere danneggiato da calore, tale calore dei gas di scarico dipende sia dal carico del motore, dalla sua potenza specifica e dal tipo di alimentazione dello stesso.

Allo stesso modo la temperatura non è costante lungo tutta la linea di scarico e varia anche in base al carico e regime del motore, difatti un mezzo a pieno carico e regime è nelle condizioni più gravose di funzionamento, il che si ripercuote allo scarico, con il collettore che ha le temperature più alte (mediamente 800 °C), poi si ha il catalizzatore che ha una temperatura intermedia (550 °C, su altri sistemi la temperatura al catalizzatore rimane tra i 600 e 800 °C^[6]) ed infine il terminale di scarico/silenziatore che rimane più freddo (300 °C, su altri sistemi la temperatura in uscita dallo scarico rimane anche a 600 °C^[6]), mentre già con un regime intermedio le temperature si riducono sensibilmente, ad eccezione del collettore che ha una correlazione pressoché costante e lineare tra regime/carico e temperatura (difatti si attesta a circa 550 °C), mentre il catalizzatore crolla a 150 °C ed il terminale a 50 °C, con il motore al minimo il collettore si trova a 35 °C, mentre il catalizzatore e terminale a 50 °C.^[7][8]
Una canna fumaria in una struttura stazionaria serve come un sistema di scarico in un mezzo di trasporto.

Gli scarichi devono resistere oltre che alla temperatura, anche alle sostanze acide e acquose, che costituiscono il principale fattore di usura e che si formano soprattutto durante la circolazione in ambito urbano, questo perché lo scarico raggiunge la propria temperatura di funzionamento con percorsi di almeno 5 km, altrimenti si favorisce la condensazione dei gas, lo scarico si riempie di acqua ricca di acido, che corrode le lamiere interne, il tutto associato a shock termici dovuti all'avviamento e arresto frequente del motore, altri fattori che danneggiano lo scarico sono il sale disperso sulle strade nel periodo invernale e gli eventuali urti subiti dallo scarico.^[9]

La lunghezza dello scarico influenza il funzionamento del motore e nel caso dei motori pluricilindrici risulta importante quando convogliare i vari tubi singoli dei vari cilindri in un tubo unico^[10] tale parametro viene influenzato anche dalla velocità del suono dei gas di scarico, questa velocità viene influenzata oltre che dalla temperatura anche dal gas stesso,^[11] in particolar modo dalla sua massa molare, che cambia a seconda del combustibile/carburante utilizzato, per esempio i gas di scarico dei motori a gasolio hanno come massa 28,9 g/mol, mentre in caso di GPL 28,6 g/mol ed in caso di gas naturale (metano) 28,3 g/mol,^[12] questa differenza sulla massa molare dipende dalla composizione chimica del combustibile/carburante utilizzato.^[13]

Un sistema di scarico deve avere determinati requisiti:

• Emissioni acustiche ridotte
• Ridurre le emissioni inquinanti

L'impianto viene costruito utilizzando vari materiali a seconda del componente e dell'utilizzo (sportivo o stradale):

• Acciaio
• Acciaio inossidabile
• Titanio
• Fibra di Carbonio
• Alluminio
• Inconel^[14]

Gli ultimi due materiali vengono generalmente utilizzati per i silenziatori dei motoveicoli, perché sono meno soggetti a urti con l'asfalto e nel caso dell'alluminio perché i gas di scarico hanno temperature contenute.
Per quanto riguarda il titanio, questo materiale viene utilizzato per le competizioni, dato che permette d'avere un sistema molto più leggero, mentre l'acciaio è utilizzato per ottenere scarichi più resistenti all'usura e agli agenti chimici ed ambientali, e la lamiera di ferro è il materiale standard.

L'impianto a seconda dei vari criteri di progettazione e di utilizzo del mezzo può avere varie caratteristiche.

Nel caso delle auto:

• Basso e posteriore, disposizione classica
• Laterale basso, disposizione lungo i fianchi dell'auto, e può avere il terminale o vicino alle ruote posteriori o alle ruote anteriori, inoltre può essere a vista solo l'ultima parte o buona parte dell'impianto di scarico
• Alto, scarico poco usato, generalmente riservato a veicoli che devono guadare quotidianamente i fiumi

Nel caso delle moto:

• Laterale, disposizione classica, che prevede la disposizione a uno o entrambi i lati del veicolo dell'impianto di scarico, con parte dell'impianto che scorre lateralmente o inferiormente alla moto
• Centrale alto, la parte terminale dello scarico è posta sotto o ai fianchi del codino, con il resto dell'impianto che scorre sotto la moto o rimane dentro al telaio
• Centrale basso la parte terminale dello scarico è posta sotto la moto esattamente come il resto dell'impianto

Per poter migliorare la funzione o il controllo dei gas di scarico si usano alcuni sistemi:

• Wastegate, serve per evitare che i gas di scarico esercitino una pressione eccessiva sul turbocompressore.
• Ricircolo dei gas esausti, accorgimento atto a ridurre i consumi di carburante, con il riutilizzo di parte dei gas esausti (attualmente usato solo su motori a quattro tempi).
• Valvola parzializzatrice o Valvola di gestione allo scarico, nel motore a quattro tempi viene usata per regolare la velocità di fuoriuscita, mentre nel motore a due tempi regola il periodo in cui questi possono fuoriuscire
• Lucidatura del condotto, quest'operazione si può eseguire cromando tale zona o semplicemente rendendola molto liscia, questo favorisce lo scorrimento dei gas combusti e ridurre l'adesione delle polveri contenute in tale gas, le quali depositandosi ostruirebbero il condotto.
• Risuonatore si tratta di una camera che interagisce con lo scarico e le onde di risonanza.

Principalmente per motori a quattro tempi:

• Anticipo di scarico, soluzione che permette una fuoriuscita dei gas anticipata, in modo da richiedere meno energia per l'espulsione
• Sistema di distribuzione a fasatura variabile, sistema che permette una gestione più flessibile dei gas di scarico.
• Megabomb si tratta di una zona ristretta della scarico con caratteristiche del tutto simili alle camere d'espansione dei motori a due tempi, ma munita anche di un tubo interno dalla superficie forata.
• Compensatori collegamenti tra due tubi di scarico di due cilindri differenti di un motore pluricilindrico, preferibilmente con 4 o più cilindri.

Principalmente per motori a due tempi:

• Espansione, sistema che permette una migliore gestione dei gas di scarico, utilizzato tipicamente nei motori a due tempi, ma con applicazione anche sui motori a quattro tempi, ne è un esempio il Garelli VIP del 2007, ma la si può vedere anche in forme più semplici su alcuni mezzi che adoperano scarichi aftermarket, i quali sono definiti a trombone o a megafono, i quali possono avere o meno un piccolo controcono.

Per recuperare parte dell'energia dispersa dai gas di scarico esistono diverse tecnologie:

• Turbo-compound, turbine collegate all'albero motore, alimentate dai gas di scarico
• Turbosteamer, turbine collegate all'albero motore, alimentate da un vapore generato dal calore prelevato dai gas di scarico

Il sistema di scarico a seconda del tipo di scarico e del veicolo può essere sottoposto a vari fattori di rischio:

• Rottura, questo fattore è molto importante nel caso di motori sovralimentati, i quali in caso di rottura dell'elemento che genera questa sovralimentazione (turbocompressore), si ha un'aspirazione nel motore dei residui dei elementi frantumati, rovinando in modo grave e irreversibile il motore.
• Ammaccamento o schiacciamento, questo può capitare quando l'auto va a toccare il fondo del veicolo o quando una moto cade a terra.
• Corrosione, la corrosione avviene principalmente per via dell'esposizione ai agenti atmosferici o dei detriti sollevati dal mezzo, che portano ad arrugginire l'impianto o parte dell'impianto
• Occlusione, questo problema insorge generalmente per gli scarichi dei motori a due tempi per via dell'olio combusto presente nei gas di scarico, ma che si può avere anche per i motori a quattro tempi, nel caso si lavi il mezzo e parte dell'acqua entri nello scarico o questo finisca sotto il pelo dell'acqua
• Consumo, questo fattore è entrato in gioco con l'introduzione del catalizzatore o della marmitta catalitica, i quali con l'utilizzo si consumano per via delle alte temperature d'esercizio e per via della loro funzione catalizzante e vanno sostituiti periodicamente.

I dispositivi di scarico e il rumore emesso dal veicolo sono normati a partire da periodi differenti per ogni stato e con limiti differenti, la prima normativa comunitaria europea viene varata il 6 febbraio del 1970 con la 70/157/CEE, successivamente aggiornata da diverse direttive^[15][16], il limite di rumorosità viene misurato in dB, nel caso il mezzo di vecchia immatricolazione non riporti il limite di rumore nella carta di circolazione a seconda della sua categoria si hanno dei limiti differenti, mentre per i mezzi di recente immatricolazione è previsto un limite sempre più stringente.^[17]

Per quanto riguarda la funzione catalizzante per l'abbattimento delle sostanze nocive, solo con la direttiva 2005/30/CE si è concessa la possibilità di utilizzare catalizzatori differenti da quelli del produttore di serie, dando la possibilità ai produttori after-market di produrli e omologarli.^[18]

In ogni caso il prodotto che esce da tali impianti dipende sia dal tipo di motore, sia dalla sua alimentazione (tecnica di alimentazione e carburante), anche l'OMS ha evidenziato i rischi dei gas di scarico delle motorizzazioni diesel.

• Inquinamento atmosferico
• Collettore di scarico
• Silenziatore (motore)
• Marmitta catalitica
• Camera d'espansione
• Filtro attivo antiparticolato
• Turbocompressore
• Impianto d'alimentazione
• Impianto d'accensione
• Impianto d'avviamento
• Emissioni Diesel

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• (EN) exhaust system, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.