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: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>[
==Storia==
[[File:Studio scarico 2T (compato).svg|thumb|Confronto diretto tra tipologie di scarichi differenti per il motore a due tempi, a sinistra è possibile vedere il motore e relativo scarico, al centro le curve di progressione delle pressioni (pressione effettiva in atmosfere) alla porta di scarico (zona di rilevamento evidenziata in rosso), a destra le curve di potenza dei vari scarichi.<br/>
Lo scarico a camera d'espansione venne utilizzato fin dai primi anni del 1900 nei [[Motore Diesel|motori diesel]] a testa calda dei [[Trattore agricolo|trattori agricoli]], mentre in ambito sportivo venne utilizzato, a partire dal 1953, nei motori a due tempi sui mezzi della [[DKW]]. Dal 1955 Walter Kaaden sviluppa la ZPH, avviando gli studi sullo scarico a camera d'espansione con sfruttamento delle onde di pressione. Verso la fine degli anni 50, la ZPH divenuta MZ<ref>Motorradwerke Zschopau.</ref> introduce il concetto di travaso ausiliario, per sfruttare appieno il fenomeno delle onde di pressione.<ref>[http://www.moto.it/news/massimo-clarke-i-primi-dischi-rotanti-da-corsa.html Massimo Clarke: “I primi dischi rotanti da corsa”].</ref>▼
A) Scarico tradizionale a sezione costante<br/>
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.
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
|autore = Jan Witteveen
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|rivista = Motocross
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|anno = 2012
|mese = 4
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|pp = 118-122
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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 />
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
*'''[[Collettore]]''': è un condotto di giunzione utile a raccordare la luce di scarico del cilindro con il cono divergente. Inoltre serve a regolare in modo opportuno il tempo con cui il cono divergente intercetta l'onda di depressione. Generalmente è un tratto leggermente conico, quasi cilindrico.
*'''Cono divergente''': la sua funzione consiste nel facilitare la fuoriuscita dei gas, quando si scoprono le luci di travaso, generando una depressione nel cilindro. In base alle sue misure si può decidere quanto facilitare la fuoriuscita dei gas e l'arco d'utilizzazione del motore
*'''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]]'''''
===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
===Principi di progettazione===
[[File:Dimensionamento scarico 2T.svg|thumb|Diagramma esplicativo sul dimensionamento di uno scarico risuonante per motori a 2 tempi:<br>
Rosso) Onda pressoria generata dall'espulsione dei gas di scarico<br>
Verde) Onda di depressione generata dai coni divergenti<br>
Blu) Onda di pressione generata dai coni convergenti<br>
In ascissa la lunghezza in ordinata il tempo]]
Un'espansione è caratterizzata da:
*'''''Dimensionamento''''': le dimensioni devono essere adeguate al volume dei gas di scarico che la percorrono, dato che un'espansione studiata per una portata minore porta ad avere una ridotta espulsione dei gas di scarico, mentre nel caso opposto porta ad avere a un funzionamento ridotto dell'espansione.
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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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===Struttura===
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La camera d'espansione può essere realizzata in vari modi:
*'''''Monopezzo''''': la camera d'espansione è un unico elemento, da collegare al resto dell'impianto.
*'''''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>
===Collegamento al cilindro===
[[
L'espansione può essere collegata al cilindro in diversi modi:
*'''''Incasso'':''' la camera d'espansione entra nel cilindro sino a quando trova un gradino presente sul condotto di scarico; viene tenuta in posizione da due molle. La tenuta dei gas di scarico è garantita da uno o più [[o-ring]] situati nel [[Cilindro (meccanica)|cilindro]] o sul tubo di scarico.
*'''''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===
La camera d'espansione può essere costruita in vari modi:
*'''''Saldata a mano''''':<br />La lamiera da piana viene curvata per creare i coni delle diverse sezioni di scarico; i coni vengono saldati assieme, sezione per sezione, fino a realizzare l'espansione intera. Questa tecnica richiede molto tempo per la realizzazione di un solo pezzo; è un metodo solitamente usato per lo sviluppo di un
*'''''Idroformatura''''':<br />La lamiera piana viene inserita in uno stampo in cui viene pompata acqua ad alta pressione; la pressione fa sì che la lamina si gonfi sino a copiare la forma dello stampo che l'avvolge. Gli elementi così ottenuti vengono saldati assieme. Questo metodo è rapido, ma leggermente più costoso rispetto al precedente a causa dei macchinari utilizzati.
*'''''Stampo'':'''<br />La lastra piana di metallo viene premuta tra un [[punzone]] e la matrice dello stampo. Ciascuna sezione e metà del tubo viene stampata così stampata e le due metà sono saldate insieme. Questo sistema richiede utensili e macchinari costosi ed è usato solo per la produzione di serie.
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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,
**'''''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
***'''''Scarico a lunghezza variabile in modo continuo''''': è un sistema che richiede uno scarico rettilineo, di difficile posizionamento su un veicolo, per questo difficile da realizzare.
***'''''Scarico di lunghezza variabile in modo discreto''''': è un sistema che prevede due condotti di scarico separati, in cui il flusso di gas viene selettivamente indirizzato mediante dispositivi di sezionamento; si privilegia un condotto rispetto all'altro a seconda della diversa intonazione dei condotti in base al regime di funzionamento del motore.
*'''Termodinamici''': metodi che controllano in modo indiretto la temperatura dei gas di scarico e di conseguenza la velocità di propagazione delle onde di pressione, la cui velocità media corrisponde a circa 520 [[Metro al secondo|m/s]]:
**'''''Variazione dell'anticipo''''': questo accorgimento ha un effetto molto ridotto sull'espansione, per questo è generalmente testato per migliorare solo la combustione.
**'''''Iniezione d'acqua''''': iniettando acqua nell'espansione si rallentano i gas di scarico riducendo la loro temperatura, questo accorgimento ha effetti simili a quelli generati dalla valvola di scarico, per quel che riguarda i risultati, paragonabili allo "scarico di lunghezza variabile". Questo sistema venne utilizzato sulle moto [[Honda]] del [[motomondiale]] a partire dagli anni novanta.
**'''''Schermo termico copriscarico''''': questo schermo può essere costituito da [[carta stagnola]] o da nastro termico e permette di diminuire le perdite termiche e migliora le prestazioni agli alti regimi spostando l'intonazione massima a un regime superiore, andando a modificare la progressione dei gas nello scarico.
***'''''Schermatura del cono divergente''''':<ref>
***'''''Schermatura del cono convergente'''''<ref>
***'''''Schermatura dell'intera camera d'espansione''''':<ref>
**'''''[[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
*'''Eco-dinamici''': metodi che controllano in modo diretto la risonanza dello scarico:
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==Sistemi anti-inquinamento e di riduzione della potenza==
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*'''''Doppio [[catalizzatore]] ed aria seconda''''': si usa un catalizzatore riducente lungo il collettore dell'espansione, poco distante dalla luce di scarico, mentre il secondo, ossidante, è posto a una distanza doppia rispetto al primo. Tra i due si ha un circuito che immette aria.<ref>Permette la reazione chimica nel secondo catalizzatore.</ref> Questo sistema permette una riduzione delle emissioni. I primi mezzi a adoperare questo dispositivo furono nel 2003 dei ciclomotori.
**'''''Collettore intercambiabile''''': il collettore può essere intercambiabile, per esempio sui ciclomotori, al fine di permettere una rapida sostituzione del sistema a doppio catalizzatore e aria seconda, con l'intercambiabilità del collettore.
*'''''Ridimensionamento della camera d'espansione''''': la camera d'espansione con l'utilizzo dei diversi sistemi può essere ridisegnata al fine di ridurre le perdite di potenza, come nel caso della [[Malaguti]] MR250.<ref>Un modello in vendita solo sul mercato giapponese.</ref> Questa moto utilizza un sistema di scarico in cui la camera d'espansione è stata profondamente modificata nella forma, al fine di generare una potenza di 50 CV<ref>Un motore analogo privo di sistema anti-inquinamento genera la medesima potenza.</ref> rispettando l'omologazione [[Euro 3]].<ref>[http://www.motoblog.it/post/12902/malaguti-mr250-la-moto-e-realta Malaguti MR250: la moto è realtà].</ref><ref>[http://www.garage7heaven.com/index.php?option=com_content&task=view&id=101&Itemid=79 Malaguti MR250] {{webarchive|url=https://web.archive.org/web/20091206223955/http://www.garage7heaven.com/index.php?option=com_content&task=view&id=101&Itemid=79 |data=6 dicembre 2009 }}.</ref>
Per poter ridurre la potenza della moto si effettuano generalmente:
*'''''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
*{{cita web|http://www.ntproject.com/tec_articolo01.htm|
*{{cita web|http://www.instation.it/giacomo/Espansioni.htm|
*{{cita web|1=http://www.2stroke-tuning.nl/media/artikelen/2takt_Expansieuitlaat.pdf|
{{Portale|meccanica|ingegneria}}
[[Categoria:Teorie sui motori]]
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