di  -  lunedì 4 ottobre 2010

Dopo avere concluso nel precedente post il tema della sovralimentazione nei motori a combustione interna, andiamo quest’oggi a parlare di un argomento che non risulta completamente indipendente da quello appena terminato, in quanto andremo a parlare degli effetti dinamici e d’onda nei condotti di aspirazione del motore, fenomeni che per certi versi possono fornire una sorta di “sovralimentazione” al motore… ma vediamo più in dettaglio di cosa si tratta.

SISTEMI DI ASPIRAZIONE E SCARICO NEI MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA

I motori a combustione interna comunicano con l’ambiente esterno tramite condotti di aspirazione e di scarico, i quali vengono impiegati rispettivamente per portare l’aria necessaria alla combustione dall’ambiente esterno alla camera di combustione e per evacuare all’esterno i prodotti della combustione.

Il numero e le dimensioni di tali condotti possono essere le più differenti, in funzione delle caratteristiche del motore condotti possono essere più di uno per tipo per ogni cilindro, in base alle caratteristiche costruttive del motore, con conseguente variazione della complessità dell’insieme.

Le funzioni demandate a tali condotti sono diverse, ed in particolare si individuano (rif. G.Ferrari – Motori a Combustione Interna):

  • favorire con il loro comportamento dinamico il processo di sostituzione della carica alla fine di ogni ciclo;
  • collegare da un punto di vista fluidodinamico il motore ad un eventuale gruppo di sovralimentazione;
  • attenuare il rumore causato dalle onde di pressione generate dall’instazionarietà dei processi che hanno luogo nel sistema cilindro-condotti;
  • offrire una soluzione adeguata a diverse problematiche di natura pratica come: garantire un buon filtraggio, permettere un facile accesso agli organi del motore eventualmente coperti, adattarsi allo spazio disponibile, ecc.;

Ricollegandosi a quanto esposto nei precedenti post sulla sovralimentazione, è possibile individuare una certa similitudine tra il primo punto di questa lista e la sovralimentazione stessa, come risulterà maggiormente evidente nel seguito.

Poiché il moto del pistone risulta essere di tipo discontinuo (moto alternato), in corrispondenza dell’apertura delle valvole di aspirazione e di scarico vengono messi in comunicazione la camera di combustione e l’ambiente esterno.

La pressione all’interno della camera di combustione dipende dalla particolare fase che sta venendo elaborata nel motore, in particolare durante la fase di aspirazione la pressione interna al cilindro sarà inferiore a quella esterna e pertanto, all’apertura delle valvole di aspirazione, si verrà a creare un moto di aria (od eventualmente di miscela aria-combustibile nel caso di iniezione indiretta)  che entrerà nel cilindro.

Durante la fase di scarico invece la pressione dentro il cilindro sarà quella di fine combustione, pertanto più elevata di quella esterna, e con l’apertura delle valvole di scarico si avrà un moto di gas combusti verso l’ambiente esterno.

Questi flussi di aria o gas combusti saranno periodici in funzione della velocità del motore, e porteranno alla nascita di un fenomeno fluidodinamico che, se ben sfruttato, può migliorare il riempimento o lo svuotamento del cilindro.

I FENOMENI INERZIALI

Limitandosi ai motori a quattro tempi ed alle caratteristiche dell’aspirazione, si comprende bene come questo moto periodico dell’aria in aspirazione possa influenzare il riempimento, ed in particolare il susseguirsi delle successive fasi di aspirazione e di scarico avviene con una certa frequenza che, se opportunamente correlata con la frequenza propria del sistema gassoso contenuto nei condotti, permette di sfruttare l’inerzia dei gas convertendo l’energia cinetica (generata dal pistone nella prima parte della sua corsa) da essi posseduta in energia di pressione nel tratto finale della fase di aspirazione.

Per valutare quantitativamente questa energia si può considerare la seguente relazione:

Ec=½mu2 = ½ρLS  ~ L/S

Pertanto a parità di regime di rotazione del motore e del carico (che influenza direttamente il volume aspirato nel caso dei motori ad accensione comandata) si ha una dipendenza di tale fenomeno con la lunghezza dei condotti e la loro sezione.

In realtà parte della massa è contenuta nel cilindro, e pertanto il sistema può venire correttamente rappresentato da un risonatore di Helmholtz:

Senza entrare in dettagli che possono venire esaminati dalla pagina linkata sopra, sviluppando le equazioni e facendo le opportune assunzioni, si individua che la frequenza propria del sistema è:

f0 = ω0/2π = (a/2π)·√(S/LVm)

dove Vm rappresenta il volume medio in quanto il valore istantaneo varia costantemente.

L’accordo migliore risulta quello ottenuto per valori pari (2, 4, 6,… in particolare per il valore 2) del rapporto tra la frequenza propria del sistema e quella del motore (ottenuta dal regime di rotazione) e svolgendo le semplificazioni si ottiene:

f0 ≈ 2fm = 2n

pertanto sostituendo si ha:

n0 (a/4π)·√(S/LVm)

A questo punto sono immediate le seguenti considerazioni (rif. G.Ferrari – Motori a Combustione Interna):

  • a parità di cilindrata unitaria, volendo ridurre il regime ottimale del motore, si può procedere nei seguenti modi:
  1. a parità di lunghezza L del condotto, diminuire la sezione S dello stesso;
  2. a parità di sezione S del condotto, aumentare la lunghezza L dello stesso;
  3. in generale, diminuire il rapporto S / L;
  • a pari cilindrata unitaria e regime ottimale, risulta fissato il rapporto S / L, per cui si potranno adottare:
  1. piccole sezioni e condotti corti;
  2. grandi sezioni e condotti lunghi;
  • a pari regime ottimale, in corrispondenza di un aumento della cilindrata unitaria sarà necessario:
  1. aumentare S ad L costante;
  2. aumentare il rapporto S / L, in proporzione a Vm;

Analoghi ragionamenti e considerazioni possono venire sviluppate per la sezione di scarico, tenendo presente che nel motore 4 tempi questi fenomeni possono favorire il corretto svuotamento della camera di combustione agevolando e completando il lavoro svolto dal pistone nella fase finale del processo di scarico.

Tali fenomeni non sono gli unici ad avvenire nei condotti dei motori a combustione interna, e limiti di spazio mi portano a rimandare nel prossimo post la loro trattazione, post nel quale andremo anche a presentare le soluzioni tecniche più raffinate adottate dalle case automobilistiche al fine di sfruttare opportunamente questi fenomeni… pertanto rinnovo l’invito a seguirci sempre su AppuntiDigitali, sempre con la rubrica Energia e Futuro.

10 Commenti »

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  • # 1
    joe.vanni
     scrive: 

    Se ho ben capito la geometria dei condotti se ben dimensionata permette di smorzare le “vibrazioni” dei gas di scarico e di aspirazione per effetto contrapposto di onde di pressione opposte.
    Quindi stando distanti dalla frequenza di risonanza, in cui le onde di pressione si sommerebbero.

    Però immagino in un motore che cambia regime di rotazione continuamente il calcolo di verifica deve essere fatto per tutte le possibili situazioni.

    Esiste la possibilità teorica di un motore silenzioso a tutti i regimi?

    La marmitta e i pannelli fonoassorbenti credo possano poco se a monte non sono stati dimensionati bene tubi di aspirazione e scarico.

  • # 2
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    @ joe.vanni

    in realtà lo scopo dello sfruttamento di questi fenomeni non è tanto l’insonorizzazione del motore, bensì il miglioramento del riempimento e quindi le prestazioni… e proprio dall’esigenza di ottimizzare le dimensioni dei condotti in funzione del regime di funzionamento del motore che nel settore sportivo sono stati adottati 8quando permesso dal regolamento) dei condotti a geometria variabile

  • # 3
    Marco
     scrive: 

    Complimentissimi all’autore proprio quello che mi aspettavo

  • # 4
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    @ marco

    Grazie mille per i complimenti, fanno sempre piacere…

  • # 5
    Luca
     scrive: 

    Salve Simone Serra,
    Ma se volessi trarre la formula per potermi dimensionare la Lunghezza di un condotto di aspirazione (inteso dalla sede valvola alla trombetta presente nell’airbox)di un motore 4 tempi,come potrei fare?

    Grazie

  • # 6
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    @ Luca

    Salve Luca, volendo dimensionare il condotto solo in funzione dei fenomeni inerziali allora sarebbe sufficiente utilizzare la formula sopra riportata (n0…) avendo cura di fissare qualche parametro… il primo è sicuramente il regime di rotazione del motore al quale si vuole ottimizzare il sistema (spesso si parla di “accordare”), perché il sistema è ottimizzato sempre per un determinato regime (che di fatto è un range), e fuori da questo range c’è il rischio di peggiorare le prestazioni (motivo per il quale i motori sportivi lavorano al meglio ad alti regimi e si utilizza tantissimo il cambio per restarci).

    Il secondo parametro da fissare è il rapporto S/L, il ché implica di stabilire il diametro o la lunghezza dei condotti per poi trovare l’altro valore ottimale… operando in forma parametrica si può trovare un insieme di valori che possono soddisfare le condizioni di accordo e quindi valutare quale delle coppie di valori S – L sono più adatti (ad esempio per limiti di ingombri).

    Tieni comunque presente che una grande influenza sulle prestazioni la generano i fenomeni d’onda, spiegati in un altro post.

  • # 7
    Luca
     scrive: 

    Salve,
    Mi scusi per il tempo trascorso alla mia risposta…
    Il regime di rotazione di pot. max e’ di 7800 giri,mentre per la sezione del condotto (S) quale si intende? la testa in questione ha una sede valvola da 25mm di diametro che arrivando al corpo farfallato (di un singolo cilindro)si arriva a 36mm.

    Di conseguenza nella formula da lei citata (n0) ho lo stesso problema nel definire il parametro “a” (nel quale credo sia l’area del condotto)
    e Vm (Volume medio) che non ho ben capito a cosa si riferisca.

    Grazie.

  • # 8
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    @ Luca

    Ritornare dopo molto tempo su argomenti vecchi purtroppo porta a dimenticare molte cose, comunque ricapitolando i punti in questione si può dire che il sistema migliore per questa valutazione consiste nel considerare il condotto come costituito da un solo diametro e calcolare la lunghezza attraverso quella formula, e successivamente correggere il tutto andando a modificare il tratto finale (verso le valvole o verso il carburatore) con una sezione dolcemente conica ed inserire i nuovi dati nella formula, ma nel calcolo bisogna tenere conto di questa variazione andando a spezzare la lunghezza ottenuta e la sezione, di conseguenza bisognerebbe intervenire in maniera rilevante su un approccio già approssimato di suo, rendendolo ancora più impreciso.

    Vm è il volume medio del cilindro, in quanto il volume spazzato varia con il moto del pistone, si calcola a partire dalla cilindrata unitaria con la seguente formula: (V/2)*(r+1)/r-1) dove V è la cilindrata unitaria ed r il rapporto di compressione

    a è la velocità del suono nelle condizioni vigenti nel gas, quindi variabile.

    Se le intenzioni sono quelle di fare “in casa” un sistema di aspirazione decente francamente consiglio di lasciare perdere (quantomeno i calcoli, o comunque considerarli molto “caserecci” e poi provare a fare piccole migliorie a tentativi, perché per essere precisi servono approcci molto più complessi), perché le variabili in gioco sono più complesse e non valutabili in dettaglio con questo metodo, prima di tutto perché l’approccio proposto è di per se approssimato, inoltre perché intervengono altri fenomeni, ed infine perché poco o nulla si può sapere sulla velocità del gas di scarico (legata alla temperatura)

  • # 9
    Luca
     scrive: 

    Ho capito….
    Comunque sposando la teoria del rapporto S/L posso regolarmi con quella…volendo mantenere il regime di pot. max posso prendere i valori originali del motore,poi applicando la maggiore sezione del condotto,ho cmq un punto di riferimento discretamente attendibile,giusto?

    La ringrazio per la sua cordiale disponibilità.

  • # 10
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    @ Luca

    sostanzialmente si sull’approccio, ma sul “discretamente attendibile” tenga presente che date le incertezze già descritte in precedenza le approssimazioni che ne possono conseguire possono essere molto grandi… diciamo che è un qualcosa che va bene “in linea di massima”

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