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L'importanza nel motore 2 tempi

Nel settore dei motori 2 tempi ad alte prestazioni o da competizione (stradali, cross, supermotard, kart) negli ultimi anni sono stati fatti notevoli passi avanti in termini di prestazioni, ed il merito dell'aumento vertiginoso di potenza specifica è da attribuire principalmente al sistema di scarico. Lo studio accurato, specifico per ogni motore, della marmitta ha consentito di ottimizzare il delicatissimo processo di riempimento del cilindro portando direttamente a guadagni prestazionali, senza perdere nulla in termini di affidabilità. Infatti nel motore 2 tempi per il processo di sostituzione della carica è disponibile un periodo molto limitato, in cui si ha la contemporanea apertura delle luci di travaso e di scarico: il dimensionamento opportuno del sistema di scarico permette di sfruttare a proprio vantaggio le onde di pressione che si propagano, raggiungendo così coefficienti di riempimento nettamente superiori all'unità.

Geometria del sistema di scarico

Un tipico sistema di scarico per motori 2 tempi è costituito concettualmente da diversi tratti sequenziali, a partire dalla luce di scarico si trovano: un condotto a diametro costante, o leggermente conico divergente, che convoglia all'esterno del cilindro i caldissimi gas di scarico; un tratto conico divergente, chiamato diffusore, spesso diviso in due-tre parti a diversa conicità; una parte centrale a diametro costante, spesso piuttosto corta; un tratto a conicità convergente, che termina in un tubo a diametro costante chiamato spillo o cannello, il quale porta infine i gas nel silenziatore.

Una geometria di questo tipo riesce, se ben dimensionata, a sfruttare a proprio vantaggio le onde di pressione che si propagano nel sistema stesso. Infatti all'apertura della luce di scarico, poiché il cilindro si trova ad una pressione 5-6 volte superiore a quella esistente nella marmitta, si genera una potente onda di pressione in uscita che si propaga verso l'esterno alla velocità del suono. Il tratto divergente dello scarico, a sezione crescente, genera una graduale riflessione di segno opposto dell'onda: in sostanza l'onda di compressione che viaggiava dal cilindro verso l'esterno viene riflessa indietro come onda di depressione, cioè con pressione inferiore a quella media esistente nello scarico. Invece il successivo tratto convergente della marmitta genera una riflessione dell'onda dello stesso segno: in pratica l'onda di compressione che arriva dal cilindro torna indietro rimanendo tale. Ad ogni riflessione comunque l'onda perde progressivamente intensità, a causa degli attriti interni e delle interferenze.

• generare con i tratti divergenti una corretta e prolungata onda di depressione verso il cilindro, che arrivi alla luce di scarico durante il processo di riempimento, cioè successivamente all'apertura dei travasi: questo aiuterà enormemente l'ingresso di miscela fresca nel cilindro;
  
  
• generare con il tratto convergente una decisa onda di compressione verso il cilindro, che arrivi alla luce di scarico nel periodo che intercorre fra la chiusura dei travasi e quella della luce di scarico. Quest'onda si comporta come un pistone fluido, limitando la fuoriuscita dal cilindro di miscela fresca o addirittura recuperando quella precedentemente espulsa.

• istante di apertura della luce di scarico, che determina la partenza dell'onda di compressione dal cilindro verso l'esterno;
  
  
• istante d'accensione, che influisce sulla temperatura di combustione e quindi sulla temperatura dei gas di scarico in uscita;
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• temperatura di parete della marmitta, che influisce sullo scambio termico, principalmente convettivo, fra parete stessa e gas di scarico, determinandone la temperatura durante il loro tragitto;
  
  
• rugosità interna della marmitta e spessore della lamiera, che possono disturbare la propagazione delle onde di pressione, introducendo perdite per attrito e vibrazioni.

Semplificando il problema si può dire che l'onda di pressione in uscita parte nell'istante di apertura della luce di scarico e si propaga alla velocità del suono, che dipende esclusivamente dalla temperatura del gas. Diversamente da quanto si potrebbe pensare, l'onda non è invece direttamente influenzata dal regime di rotazione del motore. Pertanto un sistema di scarico viene progettato per il funzionamento ottimale ad un ben determinato regime in cui la frequenza di riflessione delle onde nello scarico stesso sono in fase con la frequenza di rotazione del motore, e proprio per questo motivo si dice che viene effettuata l'intonazione (o tuning) della marmitta con il motore. Normalmente si sceglie di ottimizzare il processo di riempimento al regime in cui si desidera la massima coppia, che in un motore 2 tempi è molto vicino (leggermente inferiore) al regime di massima potenza; di conseguenza ai regimi più bassi si avrà inevitabilmente una diminuzione del riempimento e quindi delle prestazioni, in quanto lo scarico ha perso l'intonazione con il motore.

Al regime di intonazione, in cui si deve avere il riempimento ottimale, si ha una caratteristica interazione fra le tracce di pressione rilevate nei travasi, nel cilindro e nel primo tratto di scarico. Infatti dopo il picco di pressione che si verifica allo scarico subito dopo l'apertura della relativa luce, deve ritornare una prolungata onda di depressione che fa calare la pressione nel cilindro nettamente al di sotto di quella esistente nei travasi, favorendo in tal modo l'ingresso di miscela fresca. Invece, successivamente alla chiusura dei travasi deve arrivare la decisa onda di compressione generata dal tratto convergente, che deve portare la pressione nello scarico al di sopra di quella nel cilindro, creando così una sorta di tappo fluidodinamico che evita l'uscita dal cilindro stesso della miscela fresca appena aspirata. Questo effetto deve protrarsi fino alla chiusura della luce di scarico.

La geometria dello scarico viene determinata prima con calcoli approssimativi legati ai parametri caratteristici del motore associato (fasatura, forma e dimensioni luci), e successivamente viene affinata con prove sempre più accurate. Nei motori 2 tempi ad alte prestazioni le onde possono creare variazioni notevoli di pressione durante il ciclo motore, determinando in larga parte il processo di riempimento; si può quindi intuire come anche le più piccole variazioni geometriche dello scarico (di pochi millimetri) determinino nette variazioni di prestazione del motore. Proprio per queste difficoltà intrinseche lo studio fluidodinamico del motore e del sistema di scarico è di notevole aiuto sia nella fase iniziale di progetto, sia nella fase di affinamento. In particolare la simulazione termo-fluidodinamica permette di analizzare nel dettaglio il funzionamento del motore con qualsiasi configurazione di scarico, identificando in modo rapido la soluzione che ottimizzi la fase di riempimento a regimi determinati. Infatti con l'ausilio dello studio fluidodinamico è possibile analizzare il comportamento del motore visualizzando le onde di pressione nei travasi, nel cilindro e nello scarico, verificando il livello di intrappolamento di carica fresca, monitorando le temperature dei gas e di moltissimi altri parametri che consentono di identificare con sicurezza la strada migliore per raggiungere gli obiettivi prefissati.

Proprio grazie agli studi fluidodinamici negli ultimi anni sono state sviluppate nuove tecniche per migliorare l'erogazione di potenza, oltre che il livello, dei motori 2 tempi da competizione. Ad esempio per variare la fasatura ai regimi medi si sono adottate da tempo le valvole parzializzatrici della luce di scarico a controllo meccanico o elettronico. Invece per controllare in modo indiretto la temperatura dei gas di scarico, che determinano la velocità di propagazione delle onde di pressione e quindi l'intonazione con il motore, si sono adottati diversi sistemi: la variazione dell'anticipo mediante un sistema di accensione elettronica, l'iniezione d'acqua nella marmitta, ed infine il posizionamento di un'opportuna restrizione (detta ugello di De Laval) al termine del tratto convergente dello scarico. Tutte queste tecniche consentono di ampliare il range di intonazione motore-scarico, creando di conseguenza un allungo maggiore ed un'erogazione fluida di potenza ai regimi medio-alti. La simulazione termo-fluidodinamica permette di studiare queste ed altre soluzioni innovative su ogni specifico motore due tempi, determinando efficacemente e rapidamente la configurazione ottimale.