L'importanza nel motore 2
tempi
Nel settore dei motori 2 tempi ad alte prestazioni o da competizione (stradali, cross,
supermotard, kart) negli ultimi anni sono stati fatti notevoli passi avanti in termini di
prestazioni, ed il merito dell'aumento vertiginoso di potenza specifica è da attribuire
principalmente al sistema di scarico. Lo studio accurato, specifico per ogni motore, della
marmitta ha consentito di ottimizzare il delicatissimo processo di riempimento del
cilindro portando direttamente a guadagni prestazionali, senza perdere nulla in termini di
affidabilità. Infatti nel motore 2 tempi per il processo di sostituzione della carica è
disponibile un periodo molto limitato, in cui si ha la contemporanea apertura delle luci
di travaso e di scarico: il dimensionamento opportuno del
sistema di scarico permette di sfruttare a proprio vantaggio le onde di
pressione che si propagano, raggiungendo così coefficienti di riempimento nettamente
superiori all'unità.
Geometria del sistema di scarico
Un tipico sistema di scarico per motori 2 tempi è costituito concettualmente da diversi tratti sequenziali, a partire dalla luce
di scarico si trovano: un condotto a diametro costante, o leggermente conico divergente,
che convoglia all'esterno del cilindro i caldissimi gas di scarico; un tratto conico
divergente, chiamato diffusore, spesso diviso in due-tre parti a diversa conicità; una
parte centrale a diametro costante, spesso piuttosto corta; un tratto a conicità
convergente, che termina in un tubo a diametro costante chiamato spillo o cannello, il
quale porta infine i gas nel silenziatore.
Una geometria di questo tipo riesce, se ben dimensionata, a sfruttare a proprio
vantaggio le onde di pressione che si propagano nel sistema stesso. Infatti all'apertura
della luce di scarico, poiché il cilindro si trova ad una pressione 5-6 volte superiore a
quella esistente nella marmitta, si genera una potente onda
di pressione in uscita che si propaga verso l'esterno alla velocità del
suono. Il tratto divergente dello scarico, a sezione crescente, genera una graduale
riflessione di segno opposto dell'onda: in sostanza l'onda di compressione che viaggiava
dal cilindro verso l'esterno viene riflessa indietro come onda di depressione, cioè con
pressione inferiore a quella media esistente nello scarico. Invece il successivo tratto
convergente della marmitta genera una riflessione dell'onda dello stesso segno: in pratica
l'onda di compressione che arriva dal cilindro torna indietro rimanendo tale. Ad ogni
riflessione comunque l'onda perde progressivamente intensità, a causa degli attriti
interni e delle interferenze.
Quindi un efficace sistema di scarico deve:
- generare con i tratti divergenti una
corretta e prolungata onda di depressione verso il cilindro, che arrivi alla luce di
scarico durante il processo di riempimento, cioè successivamente all'apertura dei
travasi: questo aiuterà enormemente l'ingresso di miscela fresca nel cilindro;
- generare con il tratto convergente una
decisa onda di compressione verso il cilindro, che arrivi alla luce di scarico nel periodo
che intercorre fra la chiusura dei travasi e quella della luce di scarico. Quest'onda si
comporta come un pistone fluido, limitando la fuoriuscita dal cilindro di miscela fresca o
addirittura recuperando quella precedentemente espulsa.
L'interazione motore-scarico, il tuning del sistema
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Le onde di pressione che si propagano nel sistema di scarico dipendono dai seguenti
parametri del motore:
- istante di apertura della luce di scarico, che determina la partenza dell'onda di
compressione dal cilindro verso l'esterno;
- istante d'accensione, che influisce sulla temperatura di combustione e quindi sulla
temperatura dei gas di scarico in uscita;
- temperatura di parete della marmitta, che influisce sullo scambio termico,
principalmente convettivo, fra parete stessa e gas di scarico, determinandone la
temperatura durante il loro tragitto;
- rugosità interna della marmitta e spessore della lamiera, che possono disturbare la
propagazione delle onde di pressione, introducendo perdite per attrito e vibrazioni.
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Semplificando il problema si può dire che l'onda di pressione in uscita parte
nell'istante di apertura della luce di scarico e si propaga alla velocità del suono, che
dipende esclusivamente dalla temperatura del gas. Diversamente da quanto si potrebbe
pensare, l'onda non è invece direttamente influenzata dal regime di rotazione del motore.
Pertanto un sistema di scarico viene progettato per il
funzionamento ottimale ad un ben determinato regime in cui la frequenza di
riflessione delle onde nello scarico stesso sono in fase con la frequenza di rotazione del
motore, e proprio per questo motivo si dice che viene effettuata l'intonazione (o tuning)
della marmitta con il motore. Normalmente si sceglie di ottimizzare il processo di
riempimento al regime in cui si desidera la massima coppia, che in un motore 2 tempi è
molto vicino (leggermente inferiore) al regime di massima potenza; di conseguenza ai
regimi più bassi si avrà inevitabilmente una diminuzione del riempimento e quindi delle
prestazioni, in quanto lo scarico ha perso l'intonazione con il motore.
Al regime di intonazione, in cui si deve avere il riempimento ottimale, si ha una
caratteristica interazione fra le tracce di pressione
rilevate nei travasi, nel cilindro e nel primo tratto di scarico. Infatti
dopo il picco di pressione che si verifica allo scarico subito dopo l'apertura della
relativa luce, deve ritornare una prolungata onda di depressione che fa calare la
pressione nel cilindro nettamente al di sotto di quella esistente nei travasi, favorendo
in tal modo l'ingresso di miscela fresca. Invece, successivamente alla chiusura dei
travasi deve arrivare la decisa onda di compressione generata dal tratto convergente, che
deve portare la pressione nello scarico al di sopra di quella nel cilindro, creando così
una sorta di tappo fluidodinamico che evita l'uscita dal cilindro stesso della miscela
fresca appena aspirata. Questo effetto deve protrarsi fino alla chiusura della luce di
scarico.
La progettazione del sistema di scarico ottimale
La geometria dello scarico viene determinata prima con calcoli approssimativi legati ai
parametri caratteristici del motore associato (fasatura, forma e dimensioni luci), e
successivamente viene affinata con prove sempre più accurate. Nei motori 2 tempi ad alte
prestazioni le onde possono creare variazioni notevoli di pressione durante il ciclo
motore, determinando in larga parte il processo di riempimento; si può quindi intuire
come anche le più piccole variazioni geometriche dello scarico (di pochi millimetri)
determinino nette variazioni di prestazione del motore. Proprio
per queste difficoltà intrinseche lo studio fluidodinamico del motore e del sistema di
scarico è di notevole aiuto sia nella fase iniziale di progetto, sia nella fase di
affinamento. In particolare la simulazione termo-fluidodinamica permette
di analizzare nel dettaglio il funzionamento del motore con qualsiasi configurazione di
scarico, identificando in modo rapido la soluzione che ottimizzi la fase di riempimento a
regimi determinati. Infatti con l'ausilio dello studio fluidodinamico è possibile
analizzare il comportamento del motore visualizzando le onde di pressione nei travasi, nel
cilindro e nello scarico, verificando il livello di intrappolamento di carica fresca,
monitorando le temperature dei gas e di moltissimi altri parametri che consentono di
identificare con sicurezza la strada migliore per raggiungere gli obiettivi prefissati.
Soluzioni innovative per sistemi di scarico due tempi
Proprio grazie agli studi fluidodinamici negli ultimi anni sono state sviluppate nuove
tecniche per migliorare l'erogazione di potenza, oltre che il livello, dei motori 2 tempi
da competizione. Ad esempio per variare la fasatura ai
regimi medi si sono adottate da tempo le valvole parzializzatrici della
luce di scarico a controllo meccanico o elettronico. Invece per controllare
in modo indiretto la temperatura dei gas di scarico, che determinano la
velocità di propagazione delle onde di pressione e quindi l'intonazione con il motore, si
sono adottati diversi sistemi: la variazione dell'anticipo mediante un sistema di
accensione elettronica, l'iniezione d'acqua nella marmitta, ed infine il posizionamento di
un'opportuna restrizione (detta ugello di De Laval) al termine del tratto convergente
dello scarico. Tutte queste tecniche consentono di ampliare il range di intonazione
motore-scarico, creando di conseguenza un allungo maggiore ed un'erogazione fluida di
potenza ai regimi medio-alti. La simulazione termo-fluidodinamica permette di studiare
queste ed altre soluzioni innovative su ogni specifico motore due tempi, determinando
efficacemente e rapidamente la configurazione ottimale.
