Riprendendo l’argomento iniziato lo scorso post, quest’oggi parleremo ancora dei fenomeni dinamici nei motori a combustione interna, sempre con il riferimento ai motori a 4 tempi.
Come ampiamente esposto in precedenza, mediante i fenomeni inerziali si può ottenere una sorta di sovralimentazione del motore, anche se è meglio parlare di “miglioramento del coefficiente di riempimento”, ma esiste un altro tipo molto importante di fenomeni che influenzano in maniera evidente il processo di lavaggio, e sono i Fenomeni d’Onda.
I FENOMENI D’ONDA: COSA SONO E COME SI ORIGINANO
I fenomeni d’onda sono effetti prodotti dalle onde di pressione che si propagano attraverso i sistemi di aspirazione e di scarico, riflettendosi ad ogni discontinuità secondo le leggi della gasdinamica.
L’origine di questi fenomeni è dovuta alla forte differenza di pressione tra l’ambiente esterno (o dei collettori di aspirazione e scarico) ed il cilindro nelle varie fasi nelle quali le valvole vengono aperte.
L’apertura delle valvole di aspirazione e scarico rappresentava anche la causa della nascita dei fenomeni inerziali, ma i fenomeni d’onda si differenziano sostanzialmente da questi in quanto si tratta non più di una massa di aria (o miscela aria combustibile) che per via dell’inerzia in suo possesso si comporta come un sistema massa molla muovendosi nei condotti, bensì di una serie di onde di pressione (del tutto analoghe alle onde sonore) che si propagano alla velocità del suono (ovviamente riferita alle condizioni termodinamiche presenti nel mezzo, in quanto la velocità del suono non è una costante) dalla sezione delle valvole ai collettori e viceversa, riflettendosi e smorzandosi durante questo percorso.
In presenza di queste onde di pressione si individua la possibilità di sfruttarle (opportunamente fasate con le necessità del motore) per migliorare le fasi di aspirazione e scarico, ma per fare ciò è importante comprenderne a fondo i meccanismi, pertanto è conveniente distinguere tra i fenomeni d’onda che avvengono a valvola aperta e quelli che avvengono a valvola chiusa, riferendosi inizialmente al solo condotto di aspirazione ed estendere successivamente le relazioni trovate al condotto di scarico.
Fenomeni d’onda a valvola aperta
I fenomeni d’onda che avvengono a valvola aperta influenzano direttamente l’ingresso nel cilindro della carica fresca e possono venire studiati considerando che il moto del pistone, durante la prima parte della corsa di aspirazione, genera (dal lato valvola) un’onda di depressione che si propaga nel condotto con la velocità del suono, fino alla prima discontinuità ( che potrà essere l’ambiente, un volume in serie, una connessione con altri condotti, ecc.), presentante un brusco aumento di sezione.
Poiché il volume a valle risulta grande rispetto a quello del condotto, la differenza di pressione tra il condotto e l’ambiente esterno deve annullarsi nella sezione terminale del primo.
Questa condizione al contorno prevede che nella sezione aperta venga generata un’onda di pressione di segno opposto (in questo caso di compressione) di quella incidente che risale il condotto, in modo da annullare la differenza di pressione nella sezione terminale.
Se l’onda di compressione riflessa torna verso la valvola nella seconda metà della fase di aspirazione (circa 90° dopo il PMS), provoca un aumento di pressione risultante proprio quando il pistone non è più in grado di aspirare carica fresca, favorendo il riempimento.
Può essere utile ragionare non più in termini di tempi ma di angoli di manovella i quali risultano proporzionali ai primi attraverso la velocità angolare (che varia tra un valore massimo ed un valore minimo durante un ciclo, ma che è mediata attraverso un opportuno volano) e definire un parametro utile per questa trattazione, cioè la frazione (in gradi) dell’angolo di manovella Δθ corrispondente al tempo Δt = L / a necessario ad un impulso di pressione per compiere la lunghezza L del condotto alla velocità del suono a:
Δθ = 360°n Δt = 360°nL/a
La condizione ottimale a valvola aperta per sfruttare questi fenomeni può essere espressa come segue:
2Δθ ≈ 90°
E’ possibile quindi scrivere :
nL ≈ (90° / 720°)a = a/8
Dalla relazione precedente è evidente come per sfruttare questi fenomeni sia necessario disporre di condotti sufficientemente lunghi e/o regimi di funzionamento elevati.
Per quanto riguarda lo scarico, anche in questo caso vale il ragionamento svolto finora, con la particolarità che in questo caso all’apertura della valvola di scarico nasce nel condotto di scarico un’onda di compressione che si propaga lungo di esso alla velocità del suono fino a raggiungere l’ambiente esterno dove si riflette con segno opposto (diventando di espansione) e ritorna alla valvola di scarico.
Se la valvola di scarico è ancora aperta e se risulta aperta contemporaneamente anche la valvola di aspirazione (periodo di incrocio), si ha un evidente beneficio nel lavaggio grazie all’onda di espansione.
Fenomeni d’onda a valvola chiusa
Per trattare i fenomeni d’onda a valvola chiusa, è importante tenere presente che la valvola rimane chiusa per un intervallo angolare elevato (540° teorici) per ogni ciclo.
La massa di gas contenuta nel collettore di aspirazione costituisce per questo periodo di tempo un sistema oscillante smorzato, che può essere considerato a partire dalla valvola (estremo chiuso) fino al primo sensibile allargamento (volume del filtro od atmosfera) che costituisce un’estremità aperta.
Questo sistema presenta un periodo proprio pari a:
T0 = 1 / f0 = 4L / a
Nell’ intervallo Δθ si stabilirà nel condotto una oscillazione di pressione il cui periodo è dato dalla precedente relazione.
Si può comprendere che il riempimento risulterà favorito se la valvola si aprirà (per il ciclo successivo) in corrispondenza di un picco di pressione, mentre risulterà ostacolato in caso contrario.
Per valutare l’effetto dell’onda stabilitasi a valvola chiusa nel condotto sarà necessario valutare quante volte il periodo T0 dell’oscillazione (trasformato in gradi) risulta essere contenuto nell’intervallo Δθ0:
KT0360°n = Δθ0 ≈ 540°
Si può anche scrivere:
K ≈ 540°/(4*360°)*(a/nL) = 3/8 (a/nL)
Per il condotto di aspirazione, gli effetti sul riempimento saranno:
- positivi, se in Δθ0 si inserisce un numero intero (K = 1, 2, 3, …) di oscillazioni, in quanto si avrà in questo caso una pressione positiva all’apertura della valvola di aspirazione.
- negativi,se in Δθ0 si inserisce un numero frazionario (K = 1.5, 2.5, …) di oscillazioni, in quanto si avrà una pressione negativa all’apertura della valvola di aspirazione.
Per il condotto di scarico il discorso è analogo, varia solamente il segno dell’onda di pressione che favorirà il ricambio della carica se sarà di espansione all’apertura della valvola di scarico mentre lo ostacolerà se di compressione.
In conclusione è utile sottolineare come questi fenomeni siano ottimizzabili per un solo valore del regime di funzionamento che deve essere opportunamente scelto in base alle caratteristiche d’impiego del motore a meno di disporre di sofisticati sistemi di aspirazione e di scarico a geometria variabile che permettono una ottimizzazione continua su tutto il campo di funzionamento del motore.
SISTEMI DI ASPIRAZIONE A GEOMETRIA VARIABILE
I motori a 4 tempi vengono fortemente influenzati dall’ottimizzazione del sistema di aspirazione mentre nei motori a due tempi è il sistema di scarico ad influenzare pesantemente il comportamento globale del processo di ricambio della carica, pertanto nell’ambito automobilistico (sportivo e stradale) differenti soluzioni sono state adottate per sfruttare questi fenomeni.
Una soluzione tipica, adottata dalle principali case automobilistiche prevede due o più condotti di lunghezza differente posti in parallelo tra loro e selezionati mediante valvole di by-pass in modo da avere una ottimizzazione mediante lo sfruttamento dei fenomeni dinamici del processo di sostituzione della carica a vari regimi di rotazione del motore.
Altre soluzioni consistono nell’impiego di un condotto “avvolto” (od a chiocciola) rotante che in funzione del punto di connessione con il motore stesso permette di variare (a scalini od in maniera continua) la lunghezza effettiva del condotto visto dal flusso ed in questo modo ottimizza in un range abbastanza ampio i fenomeni dinamici.
Un sistema analogo è stato ampiamente utilizzato in Formula1 e consisteva in condotti rettilinei ad altezza variabile, capaci di operare un buon accordo con gli elevati regimi di rotazione tipici di questo tipo di motori:
Anche per oggi è tutto… l’appuntamento è per lunedì prossimo, sempre su AppuntiDigitali, sempre con la rubrica Energia e Futuro.
(fonte principale: G.Ferrari – Motori a Combustione Interna)
