13/11/2018
Sistema di scarico per le moto a due tempi
Fu un tecnico sovietico, Michel Kadanacy, che all’inizio degli anni Trenta diede un importante impulso al rendimento del motore a combustione interna sia a due sia a quattro tempi. Fu lui che studiò la forma del tubo di scarico per creare un’onda di depressione in grado di aiutare l’estrazione dei gas combusti e contemporaneamente, nel caso del “due tempi” il travaso dei gas freschi dal carter p***a attraverso le luci di lavaggio. Una sorta di sistema di distribuzione realizzato senza parti meccaniche (valvole) in movimento ma sfruttando semplicemente le onde di pressione. L’effetto Kadenacy è quello su cui si basa il funzionamento del pulsoreattore, dove l’espulsione dei gas combusti genera una depressione nella camera di combustione tale da aprire i petali di una leggerissima valvola di ammissione.
Scoperto il principio, fondamentale deve essere considerato il contributo del tecnico Walter Kaaden, impiegato dapprima alla DKW e poi alla MZ a cavallo degli anni Cinquanta e Sessanta. Fu sulle moto tedesche, infatti, che si videro le prime “camere d’espansione”, la cui complessa geometria, fatta di coni divergenti, tratti cilindrici di vario diametro e coni convergenti consentiva di “comandare” le variazioni di pressione all’uscita della luce di scarico per ovviare al maggiore degli inconvenienti del ciclo a due tempi, ovvero la fuga dei gas freschi nell’incrocio delle fasi di scarico e lavaggio.
I costruttori giapponesi Suzuki e Yamaha proseguirono poi l’opera della MZ, portando il motore due tempi a livelli di potenza specifica e di affidabilità inimmaginabili, tanto da obbligare anche la Honda, fedelissima al ciclo quattro tempi, a convertirsi a questo tipo di motore negli anni Ottanta, almeno per restare competitiva nei GP. In Europa, l’Italia vanta nobili tradizioni in questo settore, con grandi tecnici che hanno contribuito alla messa a punto di questi motori, i cui ultimi eccellenti rappresentanti sono stati il bicilindrico Aprilia GP 250, ed il monocilindrico GP 125, ancora della Casa di Noale, giunto anch’esso al capolinea della sua carriera nella classe minore del Motomondiale.
Un grande tecnico diceva: “Se il tubo di scarico che avete progettato per il vostro due tempi interferisce con la gamba del pilota, è così grande e contorto che non sapete come sistemarlo sulla moto e, se ci riuscite, alla prima curva toccherà l’asfalto, probabilmente è quello giusto …” In linea di principio aveva ragione, basta pensare ai contorsionismi necessari per fare stare i quattro scarichi sulle 500 Gran Prix di qualche anno fa, o anche solo sulle leggere fuoristrada …
Nel due tempi l’entrata e l’uscita del fluido (energetico o esausto) è regolato dal movimento del pistone che funge anche da valvola “a cassetto” muovendosi su e giù nel cilindro sulle cui pareti sono ricavate le luci di travaso e di scarico. La sua legge del moto è fissa e legata alla geometria del manovellismo cui è vincolato tramite la biella. Viceversa, nel quattro tempi la distribuzione è affidata a valvole comandate da camme, la cui legge del moto è scelta in funzione dell’ottimizzazione del riempimento e dello svuotamento del cilindro. Va precisato che anche il due tempi può avere l’ammissione controllata. Si tratta di utilizzare un elemento rotante (normalmente un disco sottile) calettato sull’albero, che tramite una finestra collega il carter p***a con la presa del carburatore. L’ammissione a disco rotante permette, a differenza di quella regolata dal pistone, di adottare un diagramma “asimmetrico”, tale da ridurre le possibili perdite dall’aspirazione quando si lavora con diagrammi di distribuzione piuttosto spinti.
Per lo scarico, la soluzione meccanica è molto più ardua (a meno di adottare complessi cinematismi assolutamente in contrasto con la semplicità tipica di questo motore) e dunque ci si deve affidare ad una sorta di artifizio che consiste nello sfruttare il fenomeno fisico delle onde di pressione al posto del cinematismo delle valvole: in pratica la chiusura è effettuata anziché da valvole metalliche, da “valvole fluide”, costituite da fronti solidi invisibili.
E’ a questo punto che le intuizioni dei tecnici tedeschi hanno portato ad una svolta prestazionale del due tempi, anche se, prima di proseguire, occorre ricordare un altro contributo fondamentale nello sviluppo di questo tipo di motore. Si tratta del lavaggio a correnti tangenziali (loop scavenging per gli anglosassoni) ideato nel 1925 dal dottor Schnuerle, nel quale la posizione e la geometria dei travasi fa si che il flusso dei gas freschi salga verso la camera di scoppio restando aderente alla parete opposta allo scarico per poi girare a vortice nella zona della camera di scoppio, scendere e raggiunga l’altezza dello scarico quando questo è già chiuso dal pistone in fase ascendente. L’importanza di queste intuizioni è dimostrata dal fatto che anche i due tempi di ultima generazione adottano sistemi di scarico ad espansione, e lavaggio tipo Schnuerle …
Tornando al sistema di scarico, il suo maggior limite pratico è dato dal fatto che la geometria è efficace soltanto per una ristretta gamma del regime di rotazione, ovvero la frequenza di pulsazione delle onde di pressione uscenti dallo scarico.
Per regimi inferiori e superiori, l’efficacia del sistema è inferiore se non talvolta deleteria, tanto che le Case hanno ovviato all’inconveniente adottando sistemi meccanici per modificare l’altezza della luce di scarico a seconda del regime istantaneo.L’onda di pressione che ha appena lasciato la luce di scarico,Raggiunto il tratto divergente, il fronte si comporta come se trovasse un’uscita libera. Si crea dunque un’onda riflessa di segno opposto (ovvero di rarefazione) che mette in depressione il condotto di scarico favorendo l’evacuazione dei gas combusti ma (a causa dell’incrocio tra luce di scarico e quelle di lavaggio) anche di una parte dei gas freschi provenienti dal carter p***a.
Per rimediare la situazione precedente viene in soccorso la successiva parte convergente, dove il fronte di pressione è riflesso, questa volta con valore ancora positivo, e si propaga indietro, verso la luce di scarico. Nel frattempo l’onda di pressione originale esce dallo spillo terminale. Se i calcoli sono corretti, quest’onda arriverà alla luce di scarico prima che questa sia chiusa, spingendo indietro parte dei gas precedentemente usciti. Se questo succede correttamente, si dice che lo scarico è “intonato”.
Il calcolo del “punto teorico di riflessione” L simula la distanza dalla luce di scarico alla quale avviene la riflessione dell’onda di pressione per raggiungere nel momento opportuno la luce di scarico. Serve a dimensionare in linea di massima lo scarico. Dalla formula si capisce che agli alti regimi di rotazione “intonano” marmitte più corte, viceversa ai regimi più bassi.
Quando la luce di scarico (o la valvola di scarico in un quattro tempi) si apre, vengono a contatto due ambienti a diversa pressione. L’onda di pressione si propaga nel fluido (l’aria) alla velocità del suono, il cui valore dipende unicamente dalla temperatura del fluido. Nel primo tratto cilindrico, l’onda di pressione comprime il gas, che supponiamo in quiete, sezione dopo sezione.
Quando il fronte giunge al termine del tratto cilindrico, si immette in quello conico divergente, il cui brusco aumento di sezione simula, in pratica, uno scarico libero. In questo caso la brusca espansione del gas genera un’onda riflessa di segno contrario (depressione) che risale verso il motore . Questa, se il sistema è correttamente dimensionato (ricordiamo che ragioniamo sempre ad un ben determinato numero di giri), arriverà sulla soglia della luce di scarico quando si aprono i travasi. La depressione, in questo caso, aiuta l’estrazione dei gas combusti residui e l’immissione dei gas freschi provenienti dal carter p***a. Ovviamente il fenomeno non è totalmente controllato e quindi capita che una porzione di gas freschi esca dallo scarico insieme a quelli bruciati: questo non è poi così grave, però, come vedremo più avanti …
Mentre l’onda di depressione sta lavorando, l’onda di pressione prosegue il suo cammino percorrendo lo scarico verso la parte convergente. In questo caso la riflessione è un’onda di pressione che torna nuovamente verso la luce di scarico.
Nel frattempo, il pistone ha proseguito la sua corsa discendente e, superato il PMI, inizia la salita per completare la compressione.
E’ in questa fase che entra in gioco l’onda di pressione riflessa dalla parte convergente della marmitta. I gas freschi estratti dalla depressione, che si trovano lungo il condotto iniziale, vengono travolti dall’onda di pressione e letteralmente “ributtati” dentro il cilindro prima che il pistone chiuda la luce di aspirazione. Oltre che ad un sistema di regolazione del flusso, siamo di fronte, in un certo senso, ad un sistema di sovralimentazione fluido, senza organi meccanici. E’ questa la fase nella quale agisce il travaso di pressione di cui ci siamo occupati. Normalmente, in questa piccola porzione della corsa nella quale i gas sono spinti nel cilindro, le luci di travaso sono già chiuse ed il carter p***a è quindi isolato dalla camera di scoppio.
Quando il pistone, superato il PMS scende per effetto dell’espansione dei gas combusti, torniamo alla fase iniziale, quando l’ambiente posto a 5 – 10 bar viene a contatto con la pressione atmosferica (teorica) presente nel tubo di scarico. A questo punto ricomincia il ciclo. Va notato che in tutto questo ragionamento non si è accennato al numero di giri del motore: il sistema di scarico viene progettato per un determinato regime scostandosi dal quale la “accordatura” non è più ottimale. In pratica, per effettuare il dimensionamento dello scarico, si fissa il regime e si lavora per far si che questa frequenza sia la stessa delle onde riflesse e queste siano in fase. E’ questo un fenomeno tecnicamente di grande attrattiva che per essere assimilato perfettamente richiede ai tecnici di far seguire i calcoli teorici da una lunga serie di esperienze al banco prova, i cui risultati, accuratamente registrati, costituiscono un eccezionale bagaglio tecnico.
Qualche formula importante
Un’onda di pressione può essere definita come una perturbazione che si propaga in un mezzo (che nel nostro caso è un gas, ma potrebbe essere anche un liquido) ed è assimilabile ad una superficie che separa due porzioni di fluido che si trovano a diverse condizioni. Il suono è un’onda di pressione che si propaga nell’aria.
Dunque per ottenere l’effetto voluto, ovvero creare una pressione che spinga nello scarico la carica fresca uscita dopo la prima depressione, occorrerà che il tempo di andata sommato a quello di ritorno (ovvero dopo la riflessione), sia pari al tempo della fase di scarico, ovvero deve raggiungere il suo picco prima che la luce di scarico sia chiusa. Se per semplicità assumiamo una durata angolare della fase di scarico pari a π (ovvero 180° di rotazione dell’albero) ad un regime di 10.000 giri/min (ovvero 2π 10.000 / 60 rad/s), considerando la formula del moto uniforme
Velocità = Spazio / Tempo
Il tempo in cui la luce di scarico resta aperta sarà
Tempo = (π 60) / (10.000 2π) = 0,003 s
Noto questo tempo e nota la velocità del suono (che ricordiamo essere, per l’aria a 0 °C, 331,5 m/s con un aumento di 0,62 m/s per ogni grado di temperatura), possiamo calcolare il cosiddetto “punto teorico di riflessione”, indicato con L nella foto D.
Considerando un valore medio della velocità del suono pari a 500 m/s e uniformando in un coefficiente le unità di misura, la lunghezza L vale
L = 41.667 x Durata scarico (in °) / Regime (in giri/min)
In pratica, tornando ai 180° di durata ed al regime di 10.000 giri/min, si ottiene:
L = (41. 667 x 180) / 10.000 = 750 mm.
Partendo da questa dato, dovranno poi essere sviluppate ognuna delle varie sezioni (cilindrica, divergente, ancora cilindrica, convergente e spillo finale) tenendo conto anche delle caratteristiche geometriche del motore.
