Camera d'espansione: differenze tra le versioni

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La '''Camera d'espansione a scarico risonante''' o più comunemente, la '''marmitta ad espansione''' è una tipica parte del [[motore a due tempi|motore 2 tempi]], e precisamente parte dell'[[impianto di scarico]].

[[File:Skutry vyfuk.jpg|thumb|Espansione stampata di uno scooter]]

[[File:Exhaust with minimal expansion chamber.jpg|right|thumb|Motociclo con motore a 4 tempi munito con impianto di scarico provvisto di camera d'espansione minimale (visibile vicino alla punta dello stivale) del tipo megabomb<ref>[httphttps://www.google.com/patents/US7510050 Vehicle exhaust systems US 7510050 B2].</ref>]]

==Storia==

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B) Scarico a sezione divergente<br/>

C) Scarico risuonante a camera d'espansione, nel grafico di potenza viene evidenziata anche l'influenza della valvola di contropressione allo scarico]]

Lo scarico a camera d'espansione furono inventate nel 1938 e prodotte con successo da Limbach (ingegnere tedesco), ideate per risparmiare carburante nei motori a due tempi, ed inaspettatamente venne rilevato anche una maggiore potenza rispetto ai sistemi utilizzati fino ad allora.<br/>

Questa prima ideazione venne rivista solo molti anni dopo la seconda guerra mondiale, sviluppata nuovamente in Germania dell'Est da [[Walter Kaaden]] durante la [[guerra fredda]], più precisamente verso la metà degli anni '50.<ref>{{Cita pubblicazione

|titolo =Il tubo a cono e controcono / Lo scarico a espansione

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==Funzione==

La camera d'espansione è un dispositivo che ha la funzione di controllare il periodo di risonanza delle onde di pressione allo scarico, creando le migliori condizioni di funzionamento per il motore. Tale dispositivo, in pratica ha la funzione di aspirare al proprio interno i gas combusti espulsi dal cilindro: grazie al primo tratto della camera di espansione, chiamato, cono divergente, si crea nel cilindro una depressione sfruttata per aspirare una carica fresca di miscela aria-[[benzina]]-[[Olio (lubrificante)|olio]], presente nel [[Carter (meccanica)|carter]].<br />

[[File:Arbeitsweise Zweitakt.gif|left|thumb|Funzionamento di un motore moderno a 2 tempi, che sfrutta le risonanze dell'espansione]]

La camera d'espansione è un dispositivoDato che hauna laparte funzionedella dicarica controllarefresca iluscirà periodo di risonanza delle onde di pressione allodallo scarico, creandotutta leo migliori condizioniparte di funzionamentoquesta percarica ildovrà motore.essere Talepompata dispositivo,nuovamente in pratica ha la funzione di aspirare al proprio interno i gas combusti espulsi dalnel cilindro: grazietramite alun primopistone tratto della camera di espansionepneumatico, chiamato,in conomodo divergente,da sicontribuire creaalla nel cilindro una depressione sfruttata per aspirare una carica fresca di miscela aria-[[benzinacombustione]]-[[Olio (lubrificante)|olio]],e presenteridurre nelgli [[Carterincombusti (meccanica)|carter]]. Dato che una parte della carica fresca uscirà dalloallo scarico, tuttatale osoluzione partedel dipistone questapneumatico caricasi dovrà essere pompata nuovamente nel cilindro, dove contribuirà alla [[combustione]],ottiene grazie all'onda di pressione che si è creata nella camera di espansione grazie alla sua parte terminale, chiamata cono convergente. Per realizzare questo dispositivo si effettuano calcoli e prove sperimentali grazie ai quali è possibile effettuare un corretto dimensionamento dei diversi elementi che la compongono.<br />

Lo studio di questo fenomeno del pistone pneumatico ha permesso l'ottenimento di una pressione elevata allo scarico in fase di chiusura, che può avere un picco di 2,2 bar (nel regime di massima intonazione), ma che generalmente si attesta tra 1,2 e 1,5 bar per i motori fuori dal loro arco di funzionamento ottimale o per i motori ad ampio range di funzionamento senza accorgimenti allo scarico (valvole parzializzatrici o risuonatori in genere), questa dinamica di funzionamento influisce anche sulla pressione interna del cilindro.<ref>[http://www.ntproject.com/analisi_2t1.htm Analisi Termo-Fluidodinamica Motore]</ref>

==Caratteristiche funzionali==

===Parti dell'espansione===

La camera d'espansione è costituita da più parti:

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*'''Cilindro a sezione costante''': questa è una parte semplice, ma molto importante, infatti determina l'istante in cui l'onda di compressione dei gas si presenta alla luce di scarico, cioè nell'istante in cui si chiudono le luci di travaso.

*'''Cono convergente''': il cono convergente determina, a seconda delle sue misure, l'arco temporale e l'intensità dell'onda di compressione dei gas di scarico; per esempio, nel caso di cono con un angolo molto grande si genera un'onda molto forte, ma si avrà un arco d'intonazione ristretto.

*'''Spillo, compreso il ''[[Silenziatore (motore)|silenziatore]]''''' : questa parte è importante, perché determina la velocità di svuotamento della camera d'espansione, andando a modificare anche la temperatura interna della stessa, e di conseguenza la velocità del suono con cui si propagano le onde di pressione: questo influisce sull'intensità dell'onda di risonanza dei gas di scarico. AdoperandoLa spillo/silenziatorelunghezza cortidi e/oquesta sezioniparte grandiviene siinfluenzata avrannodalla ondesua disezione risonanzedi più debolipassaggio, favorendoinfatti ilall'aumentare funzionamentodella delsezione motoreè primanecessario delaumentare regimela d'intonazionelunghezza massima,per mentrecompensare conla unomaggiore spillo/silenziatorivelocità lungodi svuotamento e/o sezionipoter piccolecosì simantenere avrannolo ondestesso diregime risonanzed'intonazione piùdello intensespillo, favorendoma ilviene funzionamentoridotta dell'intensità motoredelle oltreonde ilgenerate regimedallo spillo, che in compenso hanno un arco d'intonazione massimasuperiore.

===Misure coni===

Come scritto sopra i coni divergenti e convergenti attraverso la loro forma determinano l'onda di risonanza, la cui velocità è funzione della temperatura:

*'''''Lunghezza'''''; più i coni sono brevi, più generano un arco di funzionamento del motore ristretto, producendo onde di breve durata, mentre più sono lunghi e più si adattano a un funzionamento ampio del motore, producendo onde di lunga durata garantendo un funzionamento più costante della camera d'espansione e del motore.

*'''''Conicità'''''; più i coni sono di forma cilindrica, più le onde di risonanza saranno deboli: adoperando invece coni molto convergenti/divergenti si avranno onde di risonanza forti. Per ridurre le perdite di carico si utilizzano coni in serie a conicità variabile, al fine di ridurre la loro discontinuità :, questo consente di aumentare il rendimento della camera d'espansione, migliorando l'intonazione massima e l'arco di funzionamento.

===Principi di progettazione===

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*'''''Range d'intonazione''''': per definire quale sia un adeguato arco d'utilizzo del motore si deve prima determinare su quale veicolo esso sarà installato; in caso di motori sportivi<ref>Da competizione o ad alte prestazioni.</ref> basterà un range d'intonazione piccolo, dato che il motore viene utilizzato per un arco di regimi ridotto<ref>Tipicamente ad elevato numero di giri.</ref> oppure sarà accompagnato ad uno o più sistemi di adattamento dello scarico al fine di avere una estensione dell'arco di funzionamento del motore; per veicoli stradali privi di tali sistemi, si dovrà avere un'espansione con un range d'intonazione ampio, al fine di avere un arco esteso di funzionamento del motore.

La progettazione dell'espansione è soggetta a calcoli per i quali si può ricorrere ad alcuni programmi a pagamento oppure gratuiti, che forniscono le misure delle varie parti dello scarico, a seconda delle esigenze e dei paramenti del motore.<ref>[http://www.iwt.com.au/pipedsn.HTM Programma gratuito per il calcolo dell'espansione] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20100226013610/http://www.iwt.com.au/pipedsn.HTM |date=26 febbraio 2010 }}.</ref><ref>[http://www.instation.it/giacomo/Espansioni%20v1.0.php Altro programma gratuito per il calcolo dell'espansione].</ref>

==Caratteristiche produttive==

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*'''''Scomponibile''''': la camera d'espansione è smontabile consentendo sia una facile pulizia che un'adeguata regolazione dei componenti interni. Questa tipologia viene usata generalmente nei motori di piccole macchine utensili nella quale può essere integrata. Più raramente viene utilizzata su mezzi da competizione, dato che il costo e tempo della messa a punto risultano maggiori. Recentemente questo tipo di scarico, per facilitare il posizionamento dei catalizzatori, viene utilizzato su diversi ciclomotori.

*'''''Integrata''''', la camera d'espansione viene integrata con il silenziatore, in modo da formare un unico elemento.

*'''''Siamese''''', lo scarico viene condiviso da due cilindri, di conseguenza il collettore risulta sdoppiato.<ref>[{{Cita web |url=http://dem.moto.it/magazine/motoit-magazine-n-248.pdf |titolo=Moto.it magazine Sideca da corsa, la forza dei due tempi pag 44-49] |accesso=14 giugno 2016 |urlarchivio=https://web.archive.org/web/20160813032734/http://dem.moto.it/magazine/motoit-magazine-n-248.pdf |dataarchivio=13 agosto 2016 |urlmorto=sì }}</ref>

===Collegamento al cilindro===

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*'''''Boccola di scarico''''': la camera d'espansione viene collegata al cilindro tramite una boccola, o collettore di scarico la camera d'espansione viene tenuta in posizione da due molle che collegano il cilindro oppure la boccola, o collettore di scarico, al collettore dell'espansione. La tenuta dei gas di scarico è garantita da una guarnizione per quanto riguarda la boccola, da uno o più o-ring per lo scarico.

*'''''Avvitamento''''': la camera d'espansione viene collegata al cilindro tramite viti di fissaggio, generalmente 2 o 3. Questo sistema permette di non dover ricorrere alle molle di supporto; la tenuta dei gas è garantita da una guarnizione.

*'''''Boccola di fissaggio''''': la camera d'espansione<ref>Generalmente per tubi di scarico di tipo quattro tempi.</ref> viene collegata al cilindro mediante una boccola fissata al cilindro attraverso delle viti, oppure avvitata direttamente.

===Produzione===

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**'''''Boccole'':''' utilizzando boccole di lunghezza diversa dall'originale si modifica l'intonazione dell'espansione; adoperando una boccola più corta si migliora il funzionamento agli alti regimi, mentre con boccole più lunghe si migliorano le prestazioni ai regimi inferiori.

**'''''Collettore intercambiabile'':''' si trova incassato all'espansione e generalmente fissato tramite molle. Adoperando un collettore corto si migliora il funzionamento agli alti regimi, mentre un collettore lungo migliora i bassi regimi.

**'''''Gradino''''': il passaggio dei gas di scarico da una sezione a diametro minore ad una a diametro maggiore, creageneralmente quasigrazie istantaneamenteall'uso delledi turbolenzeuna boccola che rallentanocrea iil fumigradino intramite uscitauna dalsua cilindro;<ref>Generalmenteconformazione trainterna boccolao edtramite l'accoppiamento con la luce di scarico o con l'espansione.</ref>, tale gradino a seconda del regime influisce in modo differente con l'espulsione dei gas e delle onde risuonanti; questa struttura fisica, soprattutto quando non si ha un'apertura rapida della luce di scarico fa espandere e rallentare i gas di scarico, bassii quali perdono forza e velocità (rendendo virtualmente lo scarico più lungo), mentre ad alti regimi si vanno a creare delle turbolenze in questo gradino, che permettono ai gas di scarico di fuoriuscire velocemente, questo duplice comportamento aumenta l'arco d'intonazione, ma tende a ridurre l'intensità dell'intonazione massimain quanto contrasta parzialmente con le onde di risonanza. Generalmente viene usata su veicoli da competizione, assiemecome allnel caso dell'[[ugello di de Laval]].

**'''''Spillo intercambiabile''''': lo spillo viene fissato tramite una fascetta metallica presente sul cono convergente, fissato evitando che entri nel cono convergente e bloccato mediante una vite. Questo sistema permette di utilizzare spilli di diversa lunghezza e senza variarne il diametro, in modo da modificare il comportamento del motore: utilizzando spilli più corti si migliora il funzionamento del motore a regimi inferiori rispetto a quello d'intonazione massima, mentre utilizzando spilli più lunghi si migliora il funzionamento a regimi superiori rispetto a quello d'intonazione massima.

**'''''Scarico a lunghezza variabile''''': sistema che prevede la modifica delle dimensioni dello scarico

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***'''''Schermatura del cono divergente''''':<ref>Dall'inizio dell'espansione fino all'inizio della sezione cilindrica.</ref> si velocizzano i gas in tutto lo scarico, specialmente nella parte iniziale, migliorando la loro estrazione dal cilindro senza alterare l'arco d'intonazione e l'intonazione massima, che si sposta a un regime più alto.

***'''''Schermatura del cono convergente'''''<ref> Dall'inizio della sezione cilindrica fino all'inizio dello spillo.</ref>: si rende più costante la temperatura dei gas di scarico lungo tutta la camera d'espansione, velocizzando l'onda di risonanza, che arriva più rapidamente, con intensità maggiore ed con un picco di pressione più corto, per cui diminuisce l'arco d'intonazione, con un lieve innalzamento del regime d'intonazione massimo.

***'''''Schermatura dell'intera camera d'espansione''''':<ref>Dall'inizio dell'espansione fino all'inizio dello spillo.</ref> i gas sono riscaldati ad una temperatura superiore al normale, per tutta la lunghezza dello scarico, in questo modo risulta identica ad un modello più corto ma non coibentato, per cui aumenta l'intonazione massima, diminusicediminuisce l'arco d'intonazione, con un innalzamento del regime d'intonazione massimo.

**'''''[[Carburazione]]''''': la carburazione è molto importante, perché con una carburazione povera di benzina si generano gas di scarico più caldi che percorrono più velocemente l'espansione, intonandola meglio ai regimi più alti, mentre con una carburazione più ricca di benzina si generano gas più freschi, che percorrono più lentamente l'espansione, intonandola meglio ai regimi più bassi.

**'''''Freno aerodinamico''''': si tratta di una strozzatura del tutto paragonabile ad una [[rondella (meccanica)|rondella]], posta tra lo spillo e il cono convergente: questa strozzatura, a volte intercambiabile, modifica la velocità d'espulsione dei gas, determinando anche una modifica della temperatura dello scarico e di conseguenza della velocità di propagazione delle onde di risonanza.

*'''Eco-dinamici''': metodi che controllano in modo diretto la risonanza dello scarico:

**''''''[[Risuonatore]]''''': questo sistema interviene in modo differente a seconda della risonanza: il risuonatore quando interviene, ai bassi regimi, è come se restringesse il condotto di scarico, andando a modificare la velocità delle onde di pressione e dei gas di scarico.

**''''''[[Ugello de Laval]]''''', viene applicato al termine del tratto convergente dello scarico e riesce ad aumentare l'arco di funzionalità dell'espansione, in quanto dal momento in cui entra in funzione (alti carichi e regimi) evita il funzionamento risuonante dello spillo di scarico e la sua resistenza nello svuotamento della camera d'espansione, in quanto al di sopra di un certo regime diventa controproducente in quanto non permette un funzionamento ottimale dello scarico.

==Sistemi anti-inquinamento e di riduzione della potenza==

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*'''''Strozzatura iniziale''''': si utilizza all'inizio del collettore o un tronco di cono che riduce bruscamente la sezione di passaggio, oppure una semplice rondella o cilindro cavo.

*'''''Risuonatore esterno''''': è un dispositivo che riduce l'effetto della camera d'espansione contrastando le sue risonanze.

*'''''Spillo interno''''': al termine del cono convergente lo spillo entra nella camera d'espansione anziché essere del tutto esterno, questo permette l'inizio dell'espulsione dei gas di scarico in modo anticipato, riducendo in parte la funzione del controcono (cono convergente), ed al contempo riduce lo svuotamento completo dello scarico.

*'''''Valvola di scarico bloccata''''': la valvola di scarico viene lasciata disattivata nella posizione a bassi regimi, penalizzando gli alti e quindi la potenza massima.

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*'''''Saldatura e tiraggio''''': si salda un elemento metallico, generalmente un filo di ferro, al centro della protuberanza mettendo in trazione il filo per estrarla. Successivamente si rompe o taglia l'elemento usato e si leviga la superficie per eliminare i difetti causati dalla riparazione.

*'''''Foratura e spinta''''': si esegue un piccolo foro sul lato opposto a quello della protuberanza, e, tramite un perno la si spinge, in modo da ripristinarne la forma originaria. Al termine si ottura il foro con una saldatura.

*'''''Idraulica''''': ci sono due varianti. La prima prevede di eseguire un'operazione di [[idroformatura]], del tutto simile alla riparazione pneumatica, ma senza la necessità di riscaldare la zona danneggiata e attraverso l'uso di acqua al posto dell'aria. La seconda consiste nel riempire parzialmente lo scarico e sigillarlo alle estremità, poi far congelare l'acqua, in modo che dilatandosi ripristini le condizioni originarie. Come svantaggio queste soluzioni potrebbero alterare leggermente le quote dello scarico, in particolar modo le sagomature, incavi o concavità atte ad evitare urti con altre parti del mezzo.

==Variante "Semiespansione"==

[[File:Scarico risuonante.svg|thumb|Confronto strutturale di varie soluzioni scarico risuonante:<br>

S) Scarico risuonante a singole conicità<br>

M) Scarico risuonante a multiple conicità<br>

SE) Scarico a semiespansione<br>

SEP) Scarico a semiespansione tipo padella in 2 varianti]]

Della camera ad espansione esiste una versione che permette sia di ridurre la lunghezza complessiva, sia di aumentare l'arco d'intonazione, questa variante prende il nome di semiespansione, consiste principalmente in uno scarico ad espansione munito di controcono forellato e rivestito da un cilindro che funge da silenziatore, questa struttura lavora in modo duale, fin quanto la velocità dei gas di scarico relativamente bassa (basso numero di giri) il controcono non riflette completamente l'onda generata dai gas di scarico, ma viene in gran parte riflessa dal profilo piatto o arrotondato del silenziatore, mentre quando la velocità dei gas di scarico è elevata il controcono lavora come se fosse privo di fori, questo permette un ampio arco d'intonazione ed una buona resa per un'elevata gamma di giri motore a discapito però del rendimento massimo.

Esiste anche un'altra famiglia di semiespansione denominate "padelle", dove il controcono è completamente assente e viene sostituito da una scatola che ingloba parzialmente anche il tratto cilindrico ed eventualmente anche quello conico, tale scatola riflette le onde in modo differente a seconda della disposizione di essa e del tratto terminale conico/cilindrico dello scarico, rendendo di fatto la riflessione di più difficile determinazione, ma anche più adattativa alle differenti condizioni operative.

== Note ==

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*[[Espansione (motore)]]

*[[Impianto di scarico]]

==Altri progetti==

{{interprogetto}}

==Collegamenti esterni==

*{{cita web|http://www.appuntidigitali.it/12997/effetti-dinamici-nei-motori-2-tempi-veloci/|Effetti Dinamicidinamici nei Motorimotori 2 Tempitempi Velociveloci}}

*{{cita web|http://www.ntproject.com/tec_articolo01.htm|IMPIANTOImpianto DIdi SCARICOscarico MOTORE Amotore 2 TEMPItempi}}

*{{cita web|http://www.instation.it/giacomo/Espansioni.htm|CalcoloEspansioni}} delle misureMetodo di una camera d'espansione}}calcolo.

*{{cita web|1=http://www.2stroke-tuning.nl/media/artikelen/2takt_Expansieuitlaat.pdf|2=ArticoloExpansie sulla camera d'espansioneuitlaten|lingua=nl|accesso=30 maggio 2010|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20090816074054/http://www.2stroke-tuning.nl/media/artikelen/2takt_Expansieuitlaat.pdf|dataarchivio=16 agosto 2009|urlmorto=sì}}

{{Portale|meccanica|ingegneria}}

[[Categoria:Teorie sui motori]]