Camera d'espansione: differenze tra le versioni

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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

|autore = Jan Witteveen

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==Funzione==

[[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 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]]. Dato che una parte della carica fresca uscirà dallo scarico, tutta o parte di questa carica dovrà essere pompata nuovamente nel cilindro, dove contribuirà alla [[combustione]], 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.

==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 : per esempio, un cono molto pronunciato genera un'onda molto forte, ma avrà un arco d'intonazione ristretto.

*'''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. Adoperando spillo/silenziatore corti e/o sezioni grandi si avranno onde di risonanze più deboli, favorendo il funzionamento del motore prima del regime d'intonazione massima, mentre con uno spillo/silenziatori lungo e/o sezioni piccole si avranno onde di risonanze più intense, favorendo il funzionamento del motore oltre il regime d'intonazione massima.

===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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**'''''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>D''allDall'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><span data-ve-clipboard-key="0.9318549125166739-1"> D</span>''allDall'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>D''allDall'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, diminusice 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.