MAP (Manifold Air Pressure). Conoscerla nella pratica

La pressione al condotto di aspirazione (MAP) è uno strumento molto semplice, ma ciò che fa è un mistero per molti piloti.
Se non si capisce appieno quello che indica lo strumento, probabilmente non si capisce anche il motore, la sua gestione, i settaggi di potenza e la risoluzione dei problemi.

Aspirazione, non pressione.
In primo luogo, sbarazziamoci dell'idea di "pressione".
La MAP di qualsiasi motore aspirato mostra la "mancanza di pressione". In breve, con il motore acceso, l'indicatore di MAP legge l'aspirazione.

Il numero che indica lo strumento mette confusione, anche se è tecnicamente corretto.

Diamo un'occhiata a un motore aspirato "non in moto", utilizzando il grafico qui sotto.

È uno schema essenziale.

A motore spento.
L'aria ambiente ha pari pressione in tutte le parti del motore. Nel disegno è rappresentata dal blu scuro.

Nel disegno si vede la valvola a farfalla (giallo), che è comandata dalla manetta.

È completamente aperta ma, con il motore a riposo, non influisce. Anche con la farfalla completamente chiusa non ci sarebbe variazione di pressione in quanto l'acceleratore non chiude mai totalmente.

Una farfalla "chiusa" deve comunque far passare sufficiente aria per far funzionare il motore al minimo.

In questa situazione l'aria è a pressione ambiente all'ingresso, nel condotto di aspirazione e nella camera di combustione. Il manometro mostrerà MAP 29,92" a livello del mare in condizioni standard.

Se lo stesso aeroporto a livello del mare si trovasse in una condizione di alta pressione, misurata dalla locale stazione in 31,10", allora il vostro indicatore sul collettore, MAP, mostrerà 31.1 pollici di pressione.

Se l'aeroporto si trova a una elevazione più alta, l'indicatore MAP mostrerà un pollice in meno per ogni mille piedi sul livello del mare. (Questa regola empirica è abbastanza attendibile alle normali quote aeroportuali, anche se perde validità ad altitudini superiori a 10.000 piedi.)

È buona abitudine controllare la lettura della MAP prima di avviare il motore e fare un rapido calcolo per vedere quanto è vicina a quella ambiente.

Per farlo basta impostare l'altimetro alla elevazione campo; annotare il valore che risulta nella finestra di Kollsman; sottrarre un pollice ogni mille piedi sul livello del mare. La vostra MAP dovrebbe mostrare un valore molto vicino, a motore spento.

In un aeroporto a 6.000 piedi di elevazione, per esempio, impostare 6000 sul altimetro, leggere (diciamo) 29.5 nella finestra di Kollsman, sottrarre sei, e verificare che la MAP mostri, approssimativamente, 23,5 prima di avviare.
Ogni differenza è un errore dello strumento.

In questo aeroporto a 6.000 piedi, supponiamo di leggere 22.5 (un pollice in meno). Ciò implica che, per ogni impostazione di potenza che si desidera, è necessario impostare la MAP un pollice in meno per correggere tale errore.

Leggi la lettura della MAP al suolo, a motore fermo, sottrai circa un pollice (per la maggior parte dei motori), e otterrai il valore che ti devi aspettare di leggere, a tutto gas, in fase di decollo. (più avanti spiegherò il motivo di questo "un pollice".)

Se il valore si discosta, in corsa di decollo, c'è qualcosa che non va. Probabilmente è meglio abortire il decollo, se possibile, e indagare.

Divagando brevemente, come si può capire quanto carburante passa nel sistema di aspirazione?
Bella domanda!

Ci sono diverse possibilità tra cui, la più conosciuta è il Venturi, e la pressione differenziale.
Osserva, nella grafica, la parte stretta del percorso dell'aria.

Quando il flusso di aria entra e passa attraverso tale restrizione, deve accelerare per ottenere che tutte le molecole attraversino la strettoia. Quando si accelera, l'amico

Bernoulli dice che diminuisce la pressione, giusto?

Poi l'aria si espande nuovamente, tornando alla stessa pressione che aveva prima di entrare nel venturi; nulla si perde e nulla si guadagna. Ma se si misura la differenza tra la pressione dell'aria poco prima del venturi e la pressione dell'aria nel tubo di Venturi, siamo in grado di dire quanta aria fluisce attraverso il tubo di Venturi.

Questo è l'unico scopo del venturi: semplicemente creare un differenziale di pressione all'interno di un dato flusso di aria in modo che possa misurare il flusso di massa! Un trucco molto intelligente!

Questo metodo viene utilizzato per i motori a carburatore (tra cui la maggior parte dei grandi radiali), tipo i Rotax e per i Lycoming a iniezione equipaggiati con il sistema di iniezione Bendix/RSA.

TCM agisce in maniera diversa sulla maggior parte dei suoi motori a iniezione: il flusso del combustibile dipende dalla valvola a farfalla e dalla posizione del regolatore della miscela, dai giri del motore, e per alcuni, dal compensatore di quota.

Comunque non è importante approfondire questa parentesi che esula dalla nostra MAP.

Signori (e signore), avviate i motori!
Ok, basta parlare di un motore spento, giriamo la chiave e vediamo cosa succede.

In questa grafica ho lasciato la farfalla completamente chiusa, il che ci dice che il motore gira al minimo.

C'è solo una piccola fessura attraverso la quale fluisce relativamente poca aria.

Che cosa fa girare l'aria? Questo è un punto chiave.

In un motore aspirato, l'unica cosa che può muovere l'aria attraverso il condotto di aspirazione è il pistone, quando si muove verso il basso, con la valvola di aspirazione aperta.

Il pistone aspira l'aria che attraversa il filtro, la valvola a farfalla comandata dall'acceleratore, il Venturi (sui motori così attrezzati), il condotto di aspirazione e entra nel cilindro.

Il sistema di aspirazione di un motore aspirato non è altro che una pompa a vuoto!
Con la valvola a farfalla chiusa (manetta completamente indietro), il pistone aspira con forza ma non può richiamare molta aria attraverso e oltre la valvola a farfalla, se chiusa. Il motore sta letteralmente soffocando per mancanza d'aria.

Che cosa succede alla MAP?

Diminuisce, ovviamente, mostrando una condizione di depressione (in altre parole, una pressione inferiore a quella dell'aria esterna). Nella maggior parte dei motori, a regime minimo la MAP segna circa 12 pollici, meno della metà della pressione a livello del mare.

In atre parole la pressione atmosferica nel sistema di aspirazione (a valle della valvola a farfalla) di un motore al minimo, al livello del mare, è analoga a quella atmosferica ad una quota di 20.000 piedi.

Quindi la risposta a una delle domande del quiz: il maggior stress per il condotto di aspirazione avviene al minimo, perché tende ad "implodere".

Naturalmente stiamo parlando di soli 8 PSI di differenza, o giù di lì, e anche un tubo in alluminio leggero la sopporterebbe con facilità, quindi non è un problema. Lo sarebbe se usassimo un tubetto in gomma morbida come condotto di aspirazione!

Se facessimo girare il motore ad alto regime, se i cilindri avessero compressione perfetta e se la valvola a farfalla potesse chiudere perfettamente il condotto di aspirazione, potremmo creare un vuoto assoluto, che mostrerebbe una pressione del collettore a zero.

Dal momento che tutti i numeri sul manometro MAP sono riferiti a questo vuoto teorico perfetto, diciamo che la MAP mostra una "pressione assoluta".
Nota le sfumature di colore nella mia grafica, blu scuro per la pressione dell'aria ambiente, un po' più chiaro per una minima riduzione di pressione dopo il filtro, e molto più chiaro per la bassissima pressione dopo la valvola a farfalla chiusa.

Ho fame, aiuto!

Quello che vediamo in un motore al minimo è un motore che vuole correre, ma è semplicemente troppo affamato d'aria per farcela.

Dal momento che gli togliamo l'aria, riceve anche molto poco carburante.

Lui letteralmente ansima per riprendere fiato e, su alcuni motori a combustione interna, si sente proprio il "risucchio".

Provate a togliere il filtro dell'aria ad un motore di automobile. Avviatelo e capirete che cosa intendo dire quando dico che si sente il risucchio forzato.

Supponiamo di staccare il front-end del sistema di aspirazione, togliendo il filtro, il condotto iniziale e il gruppo della valvola a farfalla.

Che cosa succederebbe? Beh, se il venturi resta, il motore anderebbe immediatamente alla massima potenza.

Se togliamo anche il gruppo Venturi, il motore si fermerebbe (senza pressione differenziale, non arriverebbe carburante). A meno che non si tratti di un Continental a iniezione, ovviamente.

Gas a manetta!

Infine, guardiamo lo stesso sistema di aspirazione, col motore a pieno regime.

Il motore ora ha tutta l'aria che vuole, con le sole limitazioni del filtro, della piccola area della valvola a farfalla completamente aperta (edge-on) e delle eventuali svolte nel condotto che va al motore.

Di solito questi fattori incidono per un pollice di MAP, o un po' meno.

Questa è la risposta a un'altra delle domande, sul motivo per cui si rileva la perdita di pollice in MAP durante un runup full-power, appena prima del rilascio del freno.

Durante il decollo e l'inizio della salita, non appena la velocità aumenta, un po' di questa perdita è recuperata grazie all'aumento d'inerzia dell'aria (Ram Air).

A velocità elevate, alcuni motori in realtà guadagnano un po'di MAP superando anche quella ambiente a causa di questo effetto ram.

Un altro punto chiave. Il sistema di aspirazione che stiamo guardando non ha idea di ciò che succede al di là della valvola di aspirazione, nella camera di combustione. Non si cura se c'è "fuoco nel buco", o se l'elica gira a mulinello nella brezza perché il comandante sta chiacchierando nelle vicinanze e l'aereo sta precipitando perchè non arriva combustibile e il motore si spegne.

Se il motore sta girando per qualsiasi motivo, i pistoni stanno saltellando su e giù e, ogni volta che scendono con la valvola di aspirazione aperta, aspirano tutta l'aria che possono.

Se la farfalla è chiusa, aspirano contro resistenza, creando una depressione che si rileva dallo strumento della MAP, se l'acceleratore è aperto, aspirano tutta l'aria disponibile ad una pressione che, nel collettore, non può essere superiore a quella dell'ambiente esterno (o forse un pollice di meno a causa di restrizioni inevitabili nel sistema di aspirazione).

La regola: la MAP dipende dalla pressione ambiente, dalla posizione della valvola a farfalla e dalla velocità con cui i pistoni si muovono su e giù.

La MAP non indica "potenza", a meno che non vengano prese in considerazione altre cose.

Un esempio stupido quanto vero. Prendere un motore non in moto, e portatelo, dal livello del mare, a 18.000 piedi.

Se la MAP è di 29 pollici al livello del mare, sarà di circa 14,5 pollici a 18.000.

La variazione di MAP è interamente dovuta alla riduzione della pressione ambiente in quota.

Il motore ha avuto variazioni di potenza quando la MAP è passata da 29 pollici a 14.5 pollici? No, certo che no - è pari a zero in entrambi i casi.

Ora un esempio reale: supponiamo di volare in crociera ad una certa quota (diciamo 4.000 piedi).

Riduciamo il passaggio d'aria agendo sull'acceleratore, portando la MAP a circa 20 polici e supponiamo di leggere 4500 rpm sul contagiri. (Ricordate, questo significa che la valvola a farfalla è un po' inclinata, limitando il flusso d'aria in aspirazione.)

Ora, riduciamo il numero di giri a 2800, aumentando il passo dell'elica, senza cambiare niente altro. La MAP aumenterà bruscamente!

Perché?
Semplice: la pressione ambiente non è cambiata, la posizione della valvola a farfalla non è cambiata, l'unica cosa che è cambiata è la velocità con cui i pistoni pompano l'aria.

Dal momento che essi si muovono molto più lentamente, al regime di giri inferiore, essi aspirano un volume d'aria molto inferiore di quando viaggiavano a 4500 rpm. Così la MAP sale, avvicinandosi alla pressione ambiente.

La naturale estensione di questo esperimento è il ridurre il numero di giri fino a zero, quando la MAP salirà fino alla pressione ambiente esterna (circa 25" a 4.000 piedi).

In questo esempio, il numero di giri è stato abbassato. I pistoni aspirano sempre meno aria, la velocità dell'aria che passa attraverso l'aspirazione è sempre minore e il flusso di carburante, inferiore.

Ciò significa che c'è meno energia in sviluppo, a dispetto di una MAP molto più alta! Si vedrà anche la velocità diminuire bruscamente, la conferma di "minor potenza."

Al contrario, torniamo ancora una volta al nostro esempio di crociera a 4.000 piedi, 20 pollici di MAP a 4500 rpm.

Ora riduciamo il passo all'elica fino a leggere 5800 RPM, lasciando tutto il resto invariato.

Ora i pistoni stanno pompando molto velocemente, richiamando molta più aria attraverso la valvola a farfalla (parzialmente chiusa). Questo crea una maggiore aspirazione - una pressione più bassa nell'indotto - che si leggerà in un valore di MAP inferiore.

Aumenta il flusso di carburante, e aumenterà la potenza a fronte di una riduzione di MAP.

Full Throttle
Gli esempi precedenti sono tutti con valvola dell'acceleratore parzialmente chiusa che consentiva una impostazione iniziale di crociera a 20" di MAP, a 4500 giri.

E se spingiamo l'acceleratore al massimo, cambia qualcosa?

Aprendo la valvola dell'acceleratore, l'aria è a pressione ambiente (più un piccolo effetto Ram, meno la resistenza del filtro dell'aria) e può circolare liberamente nel sistema di aspirazione, per cui l'indicazione di MAP segnerà un valore vicino alla pressione ambiente, circa 25 pollici (a 4000'). Ciò causa un incremento del flusso di carburante e della potenza prodotta dal motore.

Ora, a tutto gas, facciamo variare nuovamente il numero di giri. Riduciamo il passo dell'elica e portiamo i RPM fino a 5800.

I pistoni stanno martellando su e giù molto velocemente, aspirando molta più aria.

Ma cosa succede alla pressione del collettore?

In sostanza, nulla. Poiché non vi è alcuna restrizione in aspirazione, la pressione dell'aria ambiente è libera di entrare, non importa quanta e quanto velocemente il motore la aspira.

Se avete problemi con questo concetto, pensate al vostro respiro.

Se aprite la bocca e prendete un respiro lento, non c'è resistenza e se prendete un grande respiro veloce, non c'è resistenza. Molto poca differenza , in ogni caso.

Se aspirare aria attraverso una cannuccia molto lentamente, non sentite una gran resistenza. Se solo cercate di aspirare una gran boccata d'aria attraverso quella cannuccia, vi rendete conto di cosa provi il sistema di aspirazione del vostro motore a valvola del gas parziale e alto numero di giri.

Riprendiamo l'esempio, a tutto gas a 4.000 piedi. La MAP dovrebbe segnare circa 25 pollici e il contagiri 5800 RPM. Il flusso d'aria è così alto quanto lo è quello del carburante - e viaggi al massimo!

Non provateci gente!

Il prossimo test è quello che non si deve fare con il proprio motore perché, a valori elevati di potenza e bassi regimi, il motore può esplodere, anche se il rapporto stechiometrico della miscela è molto ricco.

Ma è un esperimento mentale utile.

Da tutto gas a 4.000 piedi, 25 pollici MAP e 5800 RPM, dando passo all'elica, riduciamo il numero di giri a 2800, senza toccare nient'altro.

La pressione in aspirazione è già a pressione ambiente, quindi non può andare più in alto, e non può andare più in basso. I pistoni fungono ancora da pompa di aspirazione ma, a meno di metà-velocità, aspirano molta meno aria.

La MAP non cambierà sensibilmente. (Alcuni piloti segnalano un lieve aumento in MAP, fenomeno che avviene, probabilmente, perché il filtro dell'aria oppone meno resistenza al flusso di aria aspirato lentamente, ma in sostanza non vi è alcun cambiamento.)

A causa del drammatico calo di giri e del conseguente ridotto flusso d'aria, il flusso di carburante si riduce a sua volta, il che significa che viene sviluppata molta meno energia (meno potenza), senza variazioni di MAP.

Una digressione: il Filtro aria

Cosa serve il filtro?

Un motore aspira grandi quantità di aria.

Un IO-550 a piena potenza aspira oltre 13 metri cubi di aria al minuto, una piccola stanza piena.

Fatelo per qualche ora, e aspirerà anche una quantità ingente di rifiuti, graniglia e polvere immettendola nel motore.

Questo non fa bene alle superfici, finemente lavorate, di pistoni, cilindri e di tutte le altre parti in movimento.

Un filtro dell'aria cattura la maggioranza di quella roba, ad un costo energetico di forse un pollice di MAP ad alta potenza (supponendo il filtro sia pulito).

Notate che il filtro ha esattamente lo stesso effetto sulla MAP della valvola a farfalla quando leggermente chiusa.

Un filtro sporco, d'altra parte, potrebbe avere un costo energetico di molti pollici di pressione al collettore. Quindi sostituitelo spesso!

Se è intuitivo che un filtro dell'aria sporco limita il flusso d'aria al motore, altrettanto spesso non è chiaro che una valvola a farfalla solo parzialmente aperta è esattamente la stessa cosa di un filtro dell'aria molto sporco!

Non importa in che modo si limita l'aria, il risultato finale è lo stesso: meno potenza disponibile.

Tutto il resto è uguale.

Qualsiasi motore sarà più efficiente se impiegato a manetta completamente aperta.
Se non si desidera o non serve utilizzare tutta quella potenza (o tutto il carburante conseguentemente aspirato), utilizzate un numero di giri inferiore dando passo all'elica e una miscela più magra.

Naturalmente, è difficile gestire la velocità, a tutto gas, in circuito d'atterraggio o in rullaggio... ridurre il gas può essere comodo ogni tanto...

È comunque ottima soluzione durante la salita e la crociera!

Il motore emette un fischio?

Cos'è quel fischio, col motore al minimo, che era tema di una delle domande che avevo posto?

Dovremmo esserci fatta un'idea ormai. Probabilmente una perdita di aspirazione, da qualche parte, nel condotto.

Al minimo la MAP è bassa quindi l'alta la depressione che si crea nel condotto aspira aria dall'esterno attraverso una perdita. Un buon motivo per fermare tutto, aprire il cofano, e dare un'occhiata. L'area di circuito da controllare bene è quella dell'indotto che va dal venturi al cilindro.

Che cosa accade se si vola con una perdita di aspirazione?

Beh, pensaci. Entra aria, non prevista, nel motore che non è stata "misurata" dal tubo di Venturi. Quindi il flusso di carburante è invariato. Più aria e stessa quantità di combustibile fanno una miscela più magra nei cilindri.

Solo se la valvola a farfalla è completamente aperta non ci saranno problemi in quanto, non essendoci depressione all'interno del condotto (MAP= pressione ambiente) il condotto stesso non aspirerà aria dalla perdita.

A terra, probabilmente, sentirete un'anomala rugosità, causata da un cilindro attivato da una miscela troppo magra.

Non intendo dire che qualsiasi perdita di aspirazione produca un fischio udibile. Non succederà.

C'è un modo migliore per individuare una perdita d'aspirazione.

Lo avete capito? Cosa succederà alla nostra MAP se la sua depressione farà entrare dell'altra aria da una perdita?

Diminuirà il suo valore di depressione, ovvero aumenterà la MAP.

Quindi, se siete abituati a leggere 12 pollici di MAP al minimo, presso l'aeroporto di casa, e un giorno leggete 15 pollici, il sospetto è quello di una perdita da qualche parte nel condotto di aspirazione.