Effetti Dinamici nei Motori 2 Tempi Veloci

Dopo avere parlato nel precedente post di Motori a 2 Tempi distinguendo tra motori veloci e motori lenti, quest’oggi andremo a trattare un argomento sempre richiesto nei vari commenti, ovvero parleremo degli effetti dinamici nei motori 2 tempi veloci, con particolare attenzione alla progettazione di massima della camera di espansione solitamente impiegata allo scarico degli stessi.

INTRODUZIONE

Come evidenziato nel precedente post, i motori a 2 tempi veloci prevedono una certa sovrapposizione tra le fasi di ricambio della carica e di scarico, pertanto è evidente come i fenomeni dinamici che avvengono nel condotto di scarico siano importantissimi al fine di garantire una fase di lavaggio della camera quanto più completa, evitando per quanto possibile di avere delle perdite di carica fresca allo scarico.

L’andamento qualitativo della pressione lungo il condotto di scarico di un motore 2 tempi veloce è rappresentato nella seguente figura:

Una nota da rilevare è che se le prestazioni di un 2 tempi veloce dipendono principalmente dai fenomeni dinamici nel condotto di scarico, le condizioni del flusso nei condotti di lavaggio dipendono invece dalle caratteristiche del Carter-Pompa.

Le diverse configurazioni geometriche dello scarico comportano degli andamenti di pressione differenti da caso a caso, e questo è dovuto al differente comportamento delle onde di pressione durante l’attraversamento dei differenti tratti.

Il caso (a) mostra l’andamento della pressione in prossimità della luce di scarico nel caso di un condotto di sezione costante, soluzione inizialmente utilizzata dalle case costruttrici, prima che si iniziasse a cercare di ottimizzare lo scarico al fine di incrementare le prestazioni dei motori.

Il caso (b) rappresenta una situazione nella quale dopo un primo tratto del condotto di scarico a sezione costante viene collocato un opportuno condotto divergente, soluzione sicuramente più raffinata della precedente, ma non ancora ottimale.

Il caso (c) rappresenta una situazione più complessa nella quale, al termine del condotto divergente viene collegato un tratto costante (più o meno lungo) ed un convergente (nel complesso si parla di camera di espansione), soluzione che rappresenta per certi verso lo stato dell’arte nel disegno degli scarichi per i motori 2T, mostrando un diagramma delle pressione che tende maggiormente alla condizione ideale per ottenere un buon lavaggio.

Per comprendere questo andamento bisogna ricordare che un condotto aperto ad una estremità, dovendo realizzare un equilibrio di pressione sulla sezione terminale, riflette un’onda di pressione di segno opposto rispetto a quella incidente, mentre nel caso di condotto chiuso deve annullarsi la velocità del suono, per cui l’onda riflessa sarà dello stesso segno di quella incidente.

All’apertura della luce di scarico si ha la nascita di un’onda di compressione che si propaga nel condotto di scarico fino all’ambiente esterno .

Nel caso del solo condotto cilindrico (a), l’onda incidente viene riflessa nella sezione di uscita (estremo aperto) e risale il condotto come onda di espansione.

Nel caso di un condotto divergente collocato a valle di un primo tratto cilindrico (b) si ottiene un andamento più progressivo, in quanto il condotto divergente si comporta come un condotto progressivamente aperto e permette di aumentare la durata dell’onda di espansione, inoltre una scelta accurata del primo tratto convergente permette di ottimizzare la fasatura, facendo in modo che essa si verifichi nella fase centrale del lavaggio.

L’ultimo caso (c) prevede al termine del divergente un tratto cilindrico ed uno convergente il quale si comporta come un condotto progressivamente chiuso producendo una riflessione dello stesso segno (onda di compressione) della parte dell’onda di partenza che incide in esso.

Se quest’onda di compressione ritorna all’estremo collegato al cilindro nel momento in cui la luce di lavaggio si è appena chiusa, mentre quella di scarico è ancora aperta, si eviteranno perdite allo scarico di carica fresca.

DIMENSIONAMENTO APPROSSIMATO DELLA CAMERA DI ESPANSIONE

E’ evidente, dalle considerazioni precedenti, quale sia l’importanza di collocare allo scarico di un motore a due tempi una camera di espansione di opportuna geometria che permetta di sfruttare al meglio i fenomeni dinamici allo scarico.

Ovviamente l’effetto di maggior ottimizzazione lo si ottiene per un solo valore del regime di rotazione del motore, per cui è importante stabilire quale deve essere il campo d’impiego dello stesso in modo da impostare il valore del regime ottimale per il riempimento (corrispondente al regime di massima coppia) nel modo più opportuno.

La progettazione di una camera di espansione è un lavoro che, a causa della notevole complessità dei fenomeni che vi avvengono, risulta essere molto complesso e si può tenere conto dei singoli parametri geometrici esclusivamente facendo ricorso a dei modelli sufficientemente precisi.

Mediante una trattazione approssimata, basata esclusivamente sulle precedenti considerazioni, è però possibile stabilire la geometria di primo tentativo della camera di espansione:

Per quanto riguarda la lunghezza del primo tratto cilindrico L₁, si deve considerare che per avere un buon effetto di estrazione dei gas combusti, e di conseguenza un buon lavaggio, è necessario che l’onda di depressione riflessa dalla sua sezione aperta e progressivamente dal divergente giunga al cilindro a partire dal momento in cui il pistone incomincia ad aprire la luce di lavaggio.

Di conseguenza il tratto L₁ avrà una lunghezza tale da rimandare un’onda riflessa di depressione dopo un angolo θ_r (angolo di ritardo nell’apertura delle luci di lavaggio rispetto a quelle di scarico) di rotazione del motore.

Si avrà quindi:

• L₁ = (a·t_r)/2

dove:

• t_r = q_r / (360n) [s]: tempo di ritardo nell’apertura delle luci di lavaggio rispetto a quelle di scarico;

• a [m/s]: velocità del suono;

• n [giri/s]: regime di rotazione per il quale si vuole ottimizzare l’effetto della camera di espansione;

Si può notare come all’aumentare del regime di ottimizzazione si abbia una diminuzione di L₁.

Il diametro d₁ di questo condotto può venire stabilito in funzione dell’esigenza di smaltire la portata di gas combusti  senza eccessive perdite fluidodinamiche.

Il valore della velocità media dei gas combusti può essere ipotizzato pari a u_m = 50 ¸ 60 m/s.

Per quanto riguarda il condotto divergente, si può utilizzare un angolo di apertura β_d pari a 2° ÷ 4°, tenendo presente che all’aumentare di questo angolo aumenta anche l’ampiezza dell’onda di espansione riflessa ma ne diminuisce la durata.

La lunghezza del divergente L₂ si può determinare in base alla opportunità di troncarlo quando la sua sezione finale ha raggiunto un’area di circa 5 ÷ 6 volte quella del condotto d’entrata, valore oltre il quale il suo contributo si fa sempre più modesto.

Impiegando la relazione d₂ ^2 = (5 ÷ 6) d₁^2 si può calcolare il diametro d₂ del convergente, mentre la sua lunghezza sarà data da:

• L₂ = (d₂ – d₁)/(2 · tan(β_d))

Per massimizzare gli effetti benefici della camera di espansione è necessario collegare a valle del divergente un opportuno condotto convergente che permette di ridurre, e nelle condizioni ottimali di eliminare, le perdite di gas freschi verso lo scarico.

Il condotto convergente dovrà essere collocato ad una distanza L₃ dal condotto divergente e collegato da un tratto cilindrico.

La lunghezza di questo tratto è data da:

• L₃ = (a·t₀)/2 – (L₁ + L₂)

dove:

• t₀ = (θ_r + θ_i) / (360°n) [s]: tempo che intercorre tra l’istante di apertura dello scarico e quello di  chiusura delle luci di lavaggio;

• a [m/s]: velocità del suono nei gas, che si può ipotizzare pari a 500 ÷ 550 m/s, poiché i gas si stanno raffreddando;

• θ_i [°]: durata angolare di apertura delle luci di lavaggio;

• θ_r [°]: ritardo angolare nell’apertura delle luci di lavaggio rispetto a quelle di scarico;

• n [giri/s]: regime di rotazione del motore per il quale si vuole ottimizzare l’effetto del sistema di scarico;

Poiché spesso L₃ risulta molto piccolo (20 ÷ 30 mm), in molti casi si procede a collegare i tratti divergente e convergente mediante un semplice raccordo.

Per quanto riguarda il condotto convergente, si può utilizzare un angolo β_c di 6° ÷ 8°, valore dettato dall’esperienza che permette di ottenere un’onda riflessa con un buon compromesso tra durata ed intensità della stessa.

Il diametro terminale d₃ del condotto convergente può essere calcolato mediante un’equazione di continuità analoga a quella utilizzata per il tratto L₁, tenendo presente però che i gas sono ora più freddi e quindi la portata in volume è ridotta, mentre i valori di u_m potranno essere del 50 – 60% superiori al caso precedente per via delle minori perdite di carico che si incontrano nel breve tratto conclusivo L₅.

Si avrà:

• L₄ = (d₂ – d₁)/(2 · tan(β_c))

Per il tratto cilindrico conclusivo, si può invece ipotizzare una lunghezza L₅ pari a 150 ÷ 200 mm, legata soprattutto all’esigenza di contenere il rumore irradiato.

E’ importante ricordare che il metodo di dimensionamento della camera di espansione seguito fin qui, a causa dell’aleatorietà di molte ipotesi fatte, non rappresenta nient’altro un metodo semplice e di primo tentativo per dare un dimensionamento di massima.

Anche per oggi è tutto, rinnovo l’appuntamento a lunedì prossimo, sempre su AppuntiDigitali, sempre con la rubrica Energia e Futuro.

(fonte principale: G.Ferrari – Motori a Combustione Interna)