L’efficienza dei filtri aftermarket

Uno dei componenti sui quali agire per aumentare le prestazioni del motore è un filtro aria più libero. Ma i prodotti aftermarket reperibili mantengono davvero quello che promettono? La risposta arriva da uno studio condotto dalla University of Wales Trinity Saint David (UWTSD)

Nel mondo delle competizioni motoristiche, il flusso dell’aria all’interno del motore rappresenta un fattore estremamente importante. Per un motore naturalmente aspirato, qualsiasi tipo di limitazioni al flusso deve essere praticamente rimossa o comunque ottimizzata. Nonostante ciò, a causa di questo ingresso diretto dell’aria si rende necessaria una forma di filtraggio. Qualunque tipo di piccolo oggetto presente nell’area circostante il percorso di una moto e che potenzialmente possa entrare nei condotti di aspirazione, rappresenta una seria minaccia per la vita e l’affidabilità di un motore. In parallelo agli sviluppi dei propulsori sono stati creati vari componenti e metodi di filtraggio per migliorare la qualità dell’aria aspirata riducendo al minimo la perdita di portata. Per motori di serie, dove la performance non  rappresenta l’obiettivo principale, i filtri dell’aria sono stati sviluppati per garantire massima affidabilità e lunga vita. In molti casi, tale sviluppo ha portato questi elementi filtranti a limitare le performance dei motori, lasciando spazio per vari marchi aftermaket che hanno sviluppato componenti in grado di combinare la massima quantità con la miglior qualità dell’aria aspirata. Questa ricerca è stata svolta al fine di analizzare alcuni filtri aria aftermarket che finora sono stati considerati i migliori in assoluto nel mondo del motorsport. Tutti ovviamente dichiarano un incremento nelle performance di flusso di aria, mantenendo uno standard di pulizia molto elevato. Nonostante ciò, qualunque tipo di elemento filtrante che viene posto all’ingresso di un condotto di aspirazione limiterà in qualche maniera la quantità di aria aspirata. Attraverso gli esperimenti espletati, vedremo come questi elementi filtranti incrementano il flusso di aria e quale di questi permette un rendimento migliore. Tutte le verifiche sono state effettuate utilizzando le attrezzature e macchinari forniti dalla UWTSD di Swansea. Dopo un’analisi di filtrazione dell’aria, piccoli campioni di ogni filtro sono stati analizzati al microscopio, in maniera sistematica in modo da poter comprendere meglio tecnologia, struttura e design di tali componenti. Nella sezione finale di questo report, si farà un breve cenno a come questi elementi filtranti possano essere implementati in software di simulazione per motori come il Ricardo Wave, e gli effetti che le diverse  tipologie possono avere nella simulazione dei motori, fornendo utili indicazione ai progettisti.

Introduzione
Questa ricerca è stata condotta all’interno di un progetto, in fase di sviluppo, alla UWTSD di Swansea nel corso Beng di Ingegneria Motociclistica. Le massime prestazioni rappresentano un fattore estremamente importante di questo progetto, che consiste nel creare e sviluppare una motocicletta da competizione che partecipa a un campionato nazionale britannico. Nel processo di ricerca della potenza del propulsore, il team ha constatato che rimuovendo il filtro dell’aria e la struttura dell’airbox, il risultato era estremamente positivo. Questo però rappresentava l’assenza di qualsiasi metodo di filtraggio dell’aria. Questo peraltro non era stato considerato un problema, considerando i controlli frequenti che la squadra effettuava a ogni revisione, specialmente perchè il rapporto di rischio dei componenti che potevano entrare nei condotti di aspirazione, in rapporto alle performance ottenibili, era estremamente basso. Nonostante ciò, il costante sviluppo e la necessaria affidabilità hanno portato a ricercare un adatto elemento filtrante. Pertanto è stata condotta questa sperimentazione per analizzare i tassi di flusso di filtri dell’aria aftermarket, in maniera da poter constatare quale Marchio potesse offrire il miglior rendimento.
Il processo di sperimentazione
Una volta selezionato un determinato numero di filtri da testare (foto 1), occorreva stabilire con quali criteri e modalità dovevano essere sperimentati. Ciò è stato possibile utilizzando attrezzature e macchinari disponibili nel laboratori della UWTSD di Swansea. La prima fase dell’esperimento era completamente basata sul flusso, utilizzando il banco di flussaggio SuperFlow SF600. Questo macchinario permette di determinare la qualità di flusso di un componente attraverso la differenza di pressione all’interno della macchina. Una volta acquisiti i risultati, un paragone diretto di flussi dei materiali poteva essere fatto derivando da una percentuale di flusso una determinata quantità, espressa in CFM o litri/sec.

Metodo
Per poter testare tutti i materiali alla stessa maniera, senza alterare in alcun modo la loro forma e il layout, è stato disegnato e poi stampato in 3D un componente di dimensiooni standard. Il design è stato fatto con il softwar CAD NX9 della Siemens ed è poi stato stampato in 3D con la macchina MakerBot Replicator 2. La struttura del componente è relativamente semplice e consiste in un tubo verticale che a una estremità porta un’area di 95 x 95 mm dove i vari elementi filtranti possono essere montati e sigillati.

Risultati
Come variabile indipendente, la pressione veniva incrementata ogni volta di 2 pollici di colonna d’acqua, con un tasso di flusso impostato a 6 mentre le altre percentuali e quantità di flusso (L/s) rimanevanovariabili dipendenti. I risultati dei test sono riassunti nella  TABELLA 1.
Con i risultati disposti su un grafico, è ancora più chiaro come i vari filtri si comportino rispetto al tasso di flusso. Un aspetto interessante di questi grafici è che i filtri sembrano quasi dividersi in tre gruppi distinti. Senza dubbio la miglior quantità di flusso è garantita dai singoli strati di poliestere, dove eccelle lo Sprint Filter P08.
Il secondo gruppo consiste principalmente nei filtri in cotone con più strati con in cima il K&N Race, nonostante sia presente anche il sistema resistente all’acqua in poliestere fornito da Sprint Filter SF08 WP, un filtro nato per la protezione che però si confronta brillantemente con quelli tipicamente‘performance’. Infine il terzo gruppo è costituito principalmente da filtri di spugna bagnati in olio. grafico 1.

Analisi microscopica
Come conseguenza dei risultati ottenuti, è stato deciso di analizzare ancora più in profondità i materiali, cercando di comprenderne la tecnica di fabbricazione. Questa analisi è stata stimolata in particolare dai risultati ottenuti dai componenti in poliestere che a occhio nudo sembrano quasi essere degli strati solidi.

Conclusioni
Gli esperimenti hanno consentito di trarre delle conclusioni interessanti riguardo le caratteristiche di flusso di alcuni dei migliori filtri dell’aria a disposizione sul mercato. Uno dei fattori più interessanti scoperti in questa ricerca è stato scoprire come lo Sprint Filter SFP08 composto di un singolo strato di poliestere sia in grado di competere contro i ‘classici’ avversari di cotone e spugna. Inoltre, un altro fattore estremamente interessante che riguarda sempre un prodotto Sprint Filter è che nonostante i fori per far passare l’aria siano più piccoli rispetto agli altri prodotti, SFP08 WP ha raggiunto una performance quasi simile a quella del miglior filtro multri-strato in cotone. Questo risultato evidenzia un chiaro vantaggio per i tassi di flusso nell’utilizzare un singolo strato in poliestere. Per quanto riguarda invece i filtri in cotone, il modello da competizione della K&N è di gran lunga il prodotto dominante. Un’altra constatazione, legata alla struttura uniforme in poliestere, è stata la possibilità di riprodurre ed analizzare i prodotti Sprint Filter su programmi CAD e di simulazione di motori come ad esempio Ricardo Wave. La ricerca non ha però analizzato le caratteristiche di filtrazione dell’aria. Oltre alle ricerche effettuate per condurre questo studio, sono in programma futuri lavori di ricerca che si focalizzeranno nel comprendere l’effetto del filtro applicato sull’efficenza volumetrica di un motore naturalmente aspirato. I test si baseranno sul raggiungimento dei risultati con il banco motori fornito dalla UWTSD, e si concluderà con delle verifiche effettuate tramite Ricardo Wave, come menzionato più sopra in questo articolo. Appena avremo a disposizione anche i risultati di questa sperimentaizone lo pubblicheremo su queste pagine.

 

Analisi Ricardo Wave

Modello matematico per la simulazione di un filtro poliestere su software Ricardo Wave.

Come ulteriore passo avanti, partendo da ciò che è stato riscontrato con l’analisi al microscopio, è stato possibile svolgere ulteriori test utilizzando il programma di simulazione Ricardo Wave. La simulazione dei comuni filtri in cotone è difficile e porta spesso a risultati inconsistenti, per questo molti ingegneri tendono ad ignorare i filtri dell’aria durante le simulazioni o applicano semplicemente delle restrizioni o resistenze simili a quelle che i filtri potrebbero produrre, ottenendo però risultati poco precisi e non realistici. Wave è un programma che calcola il flusso dell’aria. La miglior maniera per ottenere risultati accurati avviene modellando i filtri in maniera meticolosa e dobbiamo che la struttura poliestere è quella che meglio si adatta ad essere riprodotta via software. Nel simulatore è stato inserito lo stesso supporto utilizzato per le prove pratiche (schermata a destra) che è stato assunto come   principale condotto di aspirazione.

L’elemento connotato da un verde più chiaro rappresenta uno dei materiali testati, ma applicato in maniera piatta, in quanto in questo primo approccio non erano state inserite le increspature presenti sul prodotto reale. E’ evidente comunque come i minimi dettagli di eventuali elementi filtranti possano essere inseriti senza problemi in un modello Wave. Nei casi in cui siano presenti più strati, questo processo si rivela ovviamente più impegnativo ma non impossibile da implementare. Visto però che in molti dei casi analizzati gli strati sovrapposti non seguono un criterio uniforme, diventa comunque assai complicato riprodurre precisamente queste tipologie di filtri dell’aria. I risultati di un modello Wave, essendo estremamente accurato, permetterebbero alle aziende o agli ingegneri che testano motori di poter ridurre la quantità di test di vita, costosi in termini di tempo e di risorse impiegate.