di  -  lunedì 11 ottobre 2010

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)

21 Commenti »

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  • # 1
    Pozzame
     scrive: 

    Varie moto, come le Yamaha R6 e R1, l’MV e altre, hanno i cornetti ad altezza variabile proprio per sfruttare queste onde.
    Dico bene?

  • # 2
    sidewinder
     scrive: 

    @Pozzame

    Esatto. Viene usato lo stesso sistema utilizzato in F1

  • # 3
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    @ Pozzame

    Esatto, o più in generale per sfruttare il complesso dei fenomeni dinamici (d’onda + inerziali)

  • # 4
    sbaffo
     scrive: 

    Alcune moto 4 tempi, le FZR100 antesignane della R1, avevano anche una valvola sullo scarico, se non sbaglio. E’ raro sui 4 tempi, non so se oggi ci sia ancora sull’R1.

  • # 5
    Pozzame
     scrive: 

    @Sbaffo:
    Sisi, ci sono ancora.
    Ma quelle servono per rendere il motore più gestibile ai bassi e più reattivo durante la coppia.
    Non credo che abbia anche a che fare con i fenomeni dell’articolo.

    Dico bene Simone?

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

    @ Pozzame e Sbaffo

    L’uso di valvole allo scarico è abbastanza inusuale… dovrei vedere meglio per capire esattamente la loro funzione ma per svolgere le funzioni di cui accenna Pozzame sfruttano proprio questi fenomeni dinamici, perché di fatto agendo sullo scarico possono migliorare lo svuotamento dei gas combusti riducendo il pompaggio… si tratta comunque di piccole raffinatezze frutto di un’ottimizzazione “fina” del motore… non ne stravolgono il comportamento ma ne migliorano il comportamento

  • # 7
    Pozzame
     scrive: 

    A dir il vero quasi tutte le SuperSport 1000 e derivate attuali usano la valvola allo scarico.
    Io ho sempre pensato che servisse solo a “strozzare” lo scarico ai bassi regimi per rendere la coppia massima più “drastica” e quindi favorire un’erogazione emotivamente più “entusiasmante”.
    E anche per renderle più facili da guidare ai bassi regimi.

    Poi ci sono aspetti come le omologazioni EuroN, che richiedono emissioni risicatissime e vengono ottenute con questi de altri “trucchetti”, abbattendole artificialmente nei soli range richiesti dall’omologazione.

    Mi viene in mente la FZ1 e l’R1 per quanto riguarda Yamaha, ma anche GSX-R1000. Tanto per citare solo quelle di cui sono sicuro.

    Una valvola simile viene utilizzata sui 2 tempi da 125cc in su, proprio per gli stessi motivi di cui sopra.

    Mentre non ho informazioni per quanto riguarda valvole allo scarico nel mondo automobilistico, sulle due ruote sono molto diffuse.
    Probabilmente complice anche la ridotta necessità di coppia ai bassi regimi che il peso ridotto di una moto, rispetto ad un’auto, richiede.

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

    @ Pozzame

    Sui due tempi diventa una soluzione necessaria in quanto il lavaggio è influenzato proprio dalla conformazione del condotto di scarico (e da lì si hanno le camere di espansione tipiche dei due tempi) proprio perché la fase di ricambio della carica avviene con una certa sovrapposizione con la fase di scarico… se dovesse interessare posso scrivere un post solo sui due tempi

  • # 9
    Pozzame
     scrive: 

    Non sarebbe male un articolo sui 2T.
    E’ da parecchio che non vengono più sviluppati e, a parte qualche eccezione insignificante (come la vespa 50 ad iniezione), sono uguali da almeno 25 anni. :(
    L’ultima innovazione di un certo spessore che ricordo è stata l’aspirazione nel carter, che risale ad almeno 30 anni fa, se non di più.

    Non ho mai capito nel dettaglio il funzionamento dell’espansione, dato che molte hanno una forma davvero strana e mi sfugge come riescano a funzionare.
    Mi riferisco a molte moto da off-road, 250cc o superiori.
    Per ridurre gli ingombri (almeno credo) hanno una forma molto curva, e a volte fanno dei giri difficilmente spiegabili.

    Comunque, tornando alla questione valvole, non dovrebbe essere preferibile, proprio per favorire il lavaggio, uno scarico il più aperto possibile? Specie nelle condizioni di minore inerzia dei gas che vengono a crearsi a regimi di rotazione più ridotti?

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

    @ Pozzame

    Le espansioni permettono di “gestire” le onde di pressione allo scarico facendo si che il loro effetto si ripercuota sul lavaggio… la forma delle espansioni nasce proprio da questo… però si tratta delle volte di concetti di gasdinamica che non sono facili da esporre in maniera semplice… cercherò di preparare un post sul 2T a questo punto… comunque non vengono quasi più sviluppati i 2T per via delle loro maggiori emissioni…

  • # 11
    Achille
     scrive: 

    Salve a tutti! Mi chiamo Achille e sto progettando una nuova turbina eolica. Sono ineressato ai Vostri Temi e relativi commenti e in particolare ad uno scritto da DENSOU il 20 Aprile 2009 (riferito ad un brevetto che permette alle pale di girare in entrambe le direzioni) Qualcuno sa dirmi a cosa si riferisce o indicarmi di che si tratta? Ringrazio anticipatamente tutti Voi

  • # 12
    Pozzame
     scrive: 

    Vero che le emissioni e il consumo sono superiori ai 4T, ma il loro rapporto potenza/cilindrata è nettamente più favorevole.
    Un 250cc di 20 anni o più fa, come quello della vecchia (ma la nuova è uguale) Aprilia RS, è quasi competitivo verso un moderno 600cc 4T.

    Inoltre, non avendo alberi e valvole da movimentare potrebbero essere perfino più efficienti.
    Credo (correggimi se sbaglio) che la peggiore efficienza dei motori 2T attuali sia da attribuire ad una sorta di sovra-lavaggio, con parte della miscela fresca che se ne esce allo scarico prima della chiusura delle luci.
    Perché non è possibile colmare questa lacuna?
    Ricordo che la forma particolarmente studiata dei condotti di aspirazione e del celo del pistone provocano dei vortici in grado di rendere più efficace e meno “sprecona” la fase di ricambio dei gas.

    C’è qualcos’altro che mi sfugge?

    Spero di leggere presto un bell’articolo sui 2Tempi. :)

    Grazie Simone… :)

  • # 13
    Pozzame
     scrive: 

    @Achille:
    Si tratta della Turbina Wells.
    http://it.wikipedia.org/wiki/Turbina_Wells
    Sfrutta un particolare profilo alare delle pale.

    Ne hanno parlato anche in una puntata de: “I meccanici del pianeta” qualche tempo fa.
    Magari lo trovi su Youtube.

  • # 14
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    @ Pozzame

    Le geometrie particolari dei 2T sono ottimali per un determinato regime di rotazione e carico, ma in generale per favorire un buon ricambio della carica si opera il sovralavaggio e di fatto si invia allo scarico della miscela aria combustibile ancora intatta… sul discorso dell’efficienza sono piuttosto “scarsi” in quanto proprio per via del lavaggio problematico sono portati a consumare di più rispetto ad un 4T (in termini di kg_fuel/kWh) ed il rendimento risulta inferiore.

    In generale per ottimizzare il ricambio della carica si deve sprecare un po’ della stessa, oppure rischiare di avere nel ciclo troppi gas combusti del ciclo precedente… come dire… il 2T è bello in teoria ma nella pratica porta troppi guai…

    Parti in movimento diciamo che ce ne sono di meno, ma non sono completamente assenti… o di sono le valvole lamellari o la valvola rotante (tipica dell’Aprilia)

    @ Achille

    Non è il post adatto per parlare di turbine, comunque visto che siamo qui posso solo dire che non trovo il commento di densou… ma credo si riferisse alle turbine wells che sono di fatto delle turbine eoliche utilizzate per sfruttare però il moto ondoso una volta installate dentro un’opportuna campana… in modo da formare una colonna d’aria che viene azionata dalla pressione delle onde all’interfaccia aria/acqua

  • # 15
    Pozzame
     scrive: 

    Già… La valvola rotante me l’ero dimenticata… :)
    Spero che parlerai anche di quella nel tuo post sul 2T.

    La tua frase: “il 2T è bello in teoria ma nella pratica porta troppi guai.” la trovo davvero azzeccata. :-D
    Strano però che non si sia riusciti a migliorare le cose rendendo la pratica più vicina alla teoria. Come è stato invece fatto col 4T.

    Senza essere polemico, ritengo che molta sia una questione di marketing, inseguendo l’Hype che è stato creato attorno al 4T si ha precocemente abbandonato lo sviluppo del 2T.

    O c’è qualche questione matematica o termodinamica che mi sfugge?

  • # 16
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    @ Pozzame

    Fondamentalmente i motivi dell’abbandono sono quelli che ti ho illustrato… lo stretto accoppiamento tra lavaggio e scarico rendeva troppo rigida l’ottimizzazione delle singole fasi… poi il fatto stesso di essere ristretti alle moto ne riduceva il campo di interesse… aggiungiamo le norme antinquinamento ed il fatto che se il 2T camminava piano nella strada dello sviluppo, il 4T invece iniziava a correre per via degli ampi margini possibili da questo tipo di motori… il risultato poteva essere uno solo… anche se il 2T in ambito navale è sempre usato… ma si tratta di 2T Diesel con lavaggio separato… soluzioni adottabili solo in grandi motori…

  • # 17
    Achille
     scrive: 

    Grazie Simone! Achille

  • # 18
    Luca
     scrive: 

    Come esempio di valvola allo scarico su moto odierne mi ricordo la kawasaki z750 con i due cavi ben visibili che finiscono sul terminale dello scarico. E sui mitici 2 tempi come non ricordarsi del mitico sistema APTS (Automatic Power Tuning System) della gilera che dava un bel po’ di spinta in più agli alti giri.

    http://it.wikipedia.org/wiki/Gilera_XR1

  • # 19
    Francesco
     scrive: 

    Le valvole allo scarico vengono utiizzate su quasi tutte le supersportive moderne, ma più che altro per aggirare la normativa sulle emissioni sonore. Avrete notato che le moto moderne al minimo “soffiano” (mentre uno scarcico molto aperto ai bassi regimi tende a creare una specie di crepitio), poi dopo un certo regine il suono cambia notevolmente.

    Si fa lo stesso su alcune auto sportive, ad esempio la maserati geanturismo ha una seconda linea di scarichi che by-passa i silenziatori oltre i 3000 rpm, e un dispositivo analogo è disponibile per alcune porsche ( attivato dal pulsante “sport” sullla plancia).

    Per quanto riguarda i 2 tempi nel 2000 Aprilia fece debuttare il sitema di iniezione diretta Ditech, che risolveva in pratica i problemi di consumo ed emissioni con prestazioni anche migliori dei modelli a carburatore , ma che non so per quale motivo è rimasto confinato ai cinquantini e qualche 125

  • # 20
    Nico
     scrive: 

    Premessa, complimenti all’autore dell’articolo, molto valido!

    Leggo qualche inesattezza nei post: ovviamente quando si parla di motori aspirati di mercato consumer il mondo delle 2 ruote è sempre avanti come sviluppo, quindi su questo ci basiamo…anche perchè una moto sportiva con 4000E la compra chiunque ;)

    Torniamo a noi…i 2T…oltre al lavaggio esagerato ed emissioni altissime, non dimentichiamo il fatto che nella miscela ci stanno anche le parti di olio da bruciare…ed ecco altre emissioni.
    Inoltre il 2T è un motore molto “estremo” nella sua erogazione, inadatto per un uso ad esempio cittadino per la mancanza totale di coppia ai bassi.
    Un cinquantino va anche bene, perchè con variatore lo fai girare sempre alto, ma a marce sarebbe un continuo uso del cambio per cercare la zona alta.
    Così è sulle moto: le 250 2T potevano contare su circa 60Cv massimi (ben lontani dai 120 di un 600 4T attuale come qualcuno scriveva sopra…), ma il problema era che a 6000rpm forse ne avevano manco 20.
    Questo “girare alto”, oltre ad una mancanza di comfort nella guida, comporta ancora consumi alti…e maggiore usura del motore.
    Tutto questo, unito ad un sistema di lubrificazione molto approssimativo, rende il motore 2T molto fragile meccanicamente (ricorderete il cambio di pistone e lucidatura a 15-2000Km sulla RS Aprilia).

    Tutti questi motivi hanno spinto le case sui motori 4T, con molta più coppia ai bassi e molto più usabili, con consumi inferiori e più affidabili.

  • # 21
    Filippo1974
     scrive: 

    Visto che il 2T desta parecchio interesse, aggiungerei alla “wish list” anche la possibilità di parlare del Diesel 2T, molto usato nei mezzi pesanti americani (non so se ancora attualmente). Sulla carta mi sembra un concetto valido, non mi è chiaro come mai non sia stato portato avanti.

    Ciao
    Filippo

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