Scarico per 2 tempi

(Tratto dalle marmitte dei nostri scooter Rally e SR DITECHE)

Di Pasquali88 e Sterbizzi88 Fontanellato

PROPRIETÀ DELLE ONDE ACUSTICHE

Un onda di pressione che raggiunge l'estremità di un tubo aperto cambia di segno. Un’onda inviata all’interno di un tubo con una delle estremità chiusa non cambia di segno.

In una marmitta a tubo semplice l’onda positiva che esce dalla luce di scarico, appena questa viene scoperta dal pistone, cambia di segno alla fine del tubo riflettendosi, con ridotta energia, di nuovo sulla luce di scarico ancora aperta. L’onda di depressione facilita l’espulsione dei gas combusti e quindi si riflette, comportandosi come in tubo chiuso, con segno uguale all'estremità dello scarico per poi riflettersi nuovamente verso il cilindro con segno positivo. Quest’ultima onda di segno positivo in parte impedisce la fuoriuscita dei gas incombusti.

Teoricamente l’impianto a tubo dritto sembra ottimale ma nella pratica, a causa delle bassissime pressioni e delle grandi quantità di energia cinetica consumata , si rivela un vero disastro.

Al tubo dritto e’ stato applicato un diffusore che si comporta come un invertitore di energia. Le pareti divergenti del diffusore provocano una forte onda di depressione che facilita l’estrazione dei gas bruciati ma, purtroppo, anche dei gas incombusti. Per evitare la perdita dei gas freschi si aggiunge un controcono che riflette parte dell’onda di pressione positiva come se fosse un tubo chiuso, creando cosi’ un blocco per i gas. L’impulso deve arrivare prima che la luce di scarico si chiuda per forzare la miscela fresca nel cilindro. Alle parti sopra menzionate si aggiungono altre due sezioni: un tratto a diametro costante tra i due coni e un tubetto dritto all'estremità del controcono, detto spillo.

La sezione cilindrica serve a distanziare meglio l’alternarsi delle onde di pressione e di depressione e lo spillo contribuisce a determinare l'intensità dell’onda di pressione positiva che impedisce la fuoriuscita dei gas freschi.

Un impianto e’ ben costruito quando si ha un’onda di depressione all’apertura della luce di scarico e allo stesso tempo un’onda di ritorno che blocchi i gas freschi. Dell’onda di depressione e’ responsabile il tratto iniziale del tubo e la parte conica dell’espansione, mentre l’onda di ritorno e’ regolata dal controcono e dallo spillo.

Per determinare la lunghezza totale dello scarico e’ necessario muoversi su due piani distinti: quello teorico e quello pratico. Le formule che seguono sono fondamentali per un dimensionamento di massima del sistema di scarico. Per ottenere il massimo in termini di prestazioni e’ necessario far seguire ai calcoli la prova al banco per poter apportare quelle piccole modifiche necessarie per ottimizzare lo scarico e poter ottenere cosi’ il massimo in termini di prestazioni.

CALCOLO DELLE VARIE GRANDEZZE

Per prima cosa occorre trovare la lunghezza totale del complesso , dalla faccia del pistone a circa meta’ del controcono che viene assunto come punto di riflessione. La formula per trovare questa misura e’:

dove:

L = lunghezza in mm

ED = durata della fase di scarico in mm

RPM = giri al minuto al quale si vuol ottenere la massima potenza

La prima parte dell’espansione, quella che va dal cilindro al megafono (cono), spesso ha le parti leggermente coniche per incrementare la potenza. Le misure da determinare per il primo tratto di tubo sono tre: la lunghezza, il diametro e la conicità. La lunghezza, da verificare al banco, si può determinare moltiplicando il diametro interno della luce di scarico per il fattore moltiplicativo riportato in tabella I.

FATTORE DI MOLTIPLICAZIONE PER IL CALCOLO DEL TRATTO INIZIALE

Competizione strada

Cross e Enduro

Cilindrata (cc)

conicità semplice

conicità variabile

conicità semplice

conicità variabile

50-80

10-11

8.5-9.5

100-125

8.5-9.5

8-9

7.8-8.5

6.5-7.5

175-250

7.9-8.4

6.4-7.5

9.1-10.2

8.2-9.3

350-500

7.1-8.4

6.5-7.3

8.5-9.2

7.4-8.4

Aumentando la lunghezza migliora la coppia a scapito della della potenza massima e viceversa. La precedente tabella e’ stata ricavata partendo dai seguenti valori di diametro standard allo scarico:

DIAMETRI STANDARD DELLA LUCE DI SCARICO

Cilindrata (cc)

Diametro standard della luce di scarico (mm)

62-80

30-32

100

34-37

125

37-40

175

42-46

250

44-48

350

45-50

La conicità di questo tratto di tubo può variare tra 1° e 2°.

Il megafono o diffusore e’ il responsabile della durata e dell'intensità dell’onda di ritorno; un diffusore molto divergente genera un’onda molto lunga e di bassa intensità dando meno potenza e più coppia. Al contrario un diffusore meno divergente privilegerà la potenza a danno della coppia.

La conicità di questo tratto varia da 12° a 15° con un diametro massimo di circa 2.5 volte quello della luce di scarico. La lunghezza di questo tratto di marmitta si può calcolare in via teorica con la seguente formula:

dove:

LD = lunghezza del diffusore

D3 = diametro maggiore del diffusore

D2 = diametro minore del diffusore

cot D = cotangente dell’angolo del diffusore

Nelle marmitte spesso si usano diffusori con due o più settori aventi conicità differente. Il diffusore con più sezioni permette minori perdite di energia cinetica. La lunghezza dei vari settori del diffusore ha influenza sull’erogazione della coppia : all’aumentare della lunghezza del primo tratto segue una coppia più sostanziosa e viceversa. E’ stato visto che la lunghezza ottimale del primo tratto del diffusore per una moto da cross o enduro e’ di 200-240 mm; per una da velocità si scende a 140-160 mm.

Il controcono ha generalmente una conicità che va da 20° a 24° . Si e’ notato che una conicità accentuata genera una curva di potenza molto ripida con un netto decadimento dopo il punto massimo, mentre una conicità minore sviluppa meno potenza massima ma la curva e’ meno ripida.

Per calcolare la lunghezza del tratto cilindrico e’ necessario impostare l’angolo del controcono tenendo conto di ciò che e’ stato detto in precedenza ed applicare la seguente formula:

dove:

OLB = lunghezza del tratto cilindrico + meta’ della lunghezza del controcono

D3 = diametro del tratto cilindrico

cot B = cotangente dell’angolo del controcono

Dalla misura ottenuta che comprende sia il tratto cilindrico che meta’ della lunghezza del controcono e’ possibile ricavare la misura del solo tratto cilindrico tramite la seguente formula:

dove:

LP = lunghezza della sezione parallela

L = lunghezza totale della marmitta (dal pistone al punto di riflessione)

Lh = misura del tratto iniziale

Ld = misura del megafono

OLB = misura del tratto parallelo + meta’ del controcono.

La parte finale, il cosiddetto spillo e’ fondamentale per l'intensità delle onde di risonanza all’interno della camera di espansione.

La sua funzione e’ di restringere il flusso dei gas determinando una forte onda positiva. Minore e’ il diametro e più alto e’ il numero dei giri e quindi la potenza, ma aumenta il pericolo di surriscaldare il motore e provocarne la rottura.

La seguente tabella da i valori teorici delle dimensioni dello spillo finale

DIMENSIONI DELLO SPILLO

Cilindrata

Lunghezza tubo (mm)

Diametro interno (mm)

50-80

205-230

17-19

100

230-250

19-21

125

265-290

22-24

175

270-295

25-27

250

280-305

26-28

Una volta determinato il diametro dello spillo, la misura del controcono si trova con la seguente equazione:

in cui:

TLB = misura del controcono

D3 = diametro del diffusore

D4 = diametro dello spillo finale

cot B = cotangente dell’angolo del controcono

Alle difficoltà proprie della costruzione di un impianto di scarico si aggiungono i problemi costruttivi derivanti dall’inserimento del sistema nella struttura della moto. Per motivi di ingombro molto spesso le marmitte hanno un andamento diverso da quello ottimale. Queste modifiche complicano maggiormente la progettazione di impianti validi sotto il profilo del rendimento. Al problema della forma si aggiunge quello della risonanza: le onde di pressione urtano contro le pareti della marmitta causando delle interferenze che hanno effetti spesso negativi.

Questi fenomeni inquinano ancora di più il calcolo teorico dell’impianto di scarico rendendo necessaria la verifica al banco prova indispensabile per ricavare il massimo delle prestazioni.

 

 

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