Camera d'espansione

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Con Camera d'espansione, scarico risonante o più comunemente marmitta ad espansione viene definita una tipica, ma non esclusiva, parte del motore 2 tempi, quella riguardante l'impianto di scarico; questa tipologia di scarichi può essere utilizzata anche in altre tipologie di motorizzazione.

Espansione stampata di uno scooter
Motociclo con motore a 4 tempi munito con impianto di scarico provvisto di camera d'espansione minimale (visibile vicino alla punta dello stivale)

Funzione[modifica | modifica wikitesto]

Funzionamento di un motore moderno a 2 tempi, che sfrutta le risonanze dell'espansione

L'espansione è un dispositivo che ha la funzione di controllare il periodo di risonanza delle onde di pressione allo scarico, creando condizioni di funzionamento favorevoli per il motore. Principalmente serve per aspirare al proprio interno i gas combusti espulsi dal cilindro; grazie al primo tratto dell'espansione, chiamato cono divergente, si crea una depressione nel cilindro che viene sfruttata per aspirare carica fresca (miscela aria-benzina-olio presente nel carter); dato che una parte di carica fresca uscirà nello scarico, tutta o parte di questa carica dovrà essere pompata nuovamente nel cilindro (dove contribuirà alla combustione) con l'onda di pressione che si è creata nell'espansione grazie alla sua parte terminale, chiamata cono convergente. Per realizzare questo dispositivo si effettuano calcoli e prove sperimentali che forniscono un dimensionamento dei vari elementi che la compongono.

Caratteristiche funzionali[modifica | modifica wikitesto]

Parti dell'espansione[modifica | modifica wikitesto]

L'espansione è costituita da più parti che hanno diverse funzioni; di seguito un elenco:

  • Collettore: serve a raccordare la luce di scarico del cilindro con il cono divergente; serve inoltre a regolare in modo opportuno il tempo con cui il cono divergente fa sentire l'onda di depressione; generalmente è un tratto leggermente conico, quasi cilindrico.
  • Cono divergente: la sua funzione è quella d'aiutare 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 parte è 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 (silenziatore compreso): questa parte è importante, perché determina la velocità di svuotamento dell'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[modifica | modifica wikitesto]

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 tali coni sono brevi e 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 e garantiscono un funzionamento più costante dell'espansione e del motore.
  • Conicità; più tali coni sono cilindrici, 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 discontinuità tra i vari coni; questo permette di aumentare il rendimento dell'espansione, migliorando l'intonazione massima e l'arco di funzionamento.

Principi di progettazione[modifica | modifica wikitesto]

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.
  • Lunghezza totale (dalla luce di scarico al termine del cono convergente): la lunghezza determina il regime di funzionamento del motore a intonazione massima; una lunga camera d'espansione favorisce il funzionamento a bassi regimi, mentre l'espansione corta favorirà un buon funzionamento a regimi elevati.
  • 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 (da competizione o ad alte prestazioni) basterà un range d'intonazione piccolo, dato che il motore viene utilizzato per un arco di regimi ridotto (tipicamente ad elevato numero di giri) 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 (vedi link seguenti), che forniscono le misure delle varie parti dello scarico, a seconda delle esigenze e dei paramenti del motore[1][2].

Caratteristiche produttive[modifica | modifica wikitesto]

La camera d'espansione può essere costruita in vari modi e con diverse soluzioni di montaggio.

Struttura[modifica | modifica wikitesto]

Espansione scomponibile di un decespugliatore

L'espansione può essere realizzata in vari modi:

  • Monopezzo: l'espansione è un unico elemento, da collegare al resto dell'impianto.
  • Scomponibile: l'espansione è smontabile e permette una facile pulitura e regolazione dei componenti interni, usata generalmente nei motori di piccole macchine utensili in cui può essere del tipo integrata; più raramente viene utilizzata su mezzi da competizione, dato il costo e tempo di messa a punto risulta maggiore. Recentemente questo tipo di scarico viene utilizzato su molti ciclomotori, per facilitare il posizionamento dei catalizzatori.
  • Integrata, l'espansione viene integrata con il silenziatore, in modo da formare un unico elemento.

Collegamento al cilindro[modifica | modifica wikitesto]

Collettore ad incasso, caratterizzato da due anelli o-ring in gomma che fanno tenuta laterale e da un anello in rame che rimane a battuta tra cilindro e collettore

L'espansione può essere collegata al cilindro in diversi modi:

  • Incasso: l'espansione entra nel cilindro sino a quando trova un gradino presente sul condotto di scarico; viene tenuta in posizione da due molle che cilindro e collettore dell'espansione; la tenuta dei gas di scarico è garantita da uno o più o-ring che ha sede nel cilindro o sul tubo di scarico.
  • Boccola di scarico: l'espansione viene collegata al cilindro tramite una boccola (o collettore) di scarico; l'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: l'espansione viene collegata al cilindro tramite delle 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: l'espansione (generalmente per tubi di scarico di tipo quattro tempi) viene collegata al cilindro mediante una boccola che va fissata al cilindro attraverso viti oppure avvitata direttamente.

Produzione[modifica | modifica wikitesto]

L'espansione può essere costruita in vari modi:

  • Saldata a mano:
    La lamiera da piana viene curvata per creare i coni delle varie 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 nuova progetto, grazie alla flessibilità, precisione e bassi costi dei macchinari impiegati.
  • Idroformatura:
    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:
    La lastra piana di metallo viene premuto tra punzone e matrice dello stampo; ciascuna sezione e metà del tubo viene stampata in questo modo e le due metà sono saldate insieme. Questo sistema richiede utensili e macchinari costosi ed è usato solo per la produzione di serie.

Accorgimenti dell'espansione[modifica | modifica wikitesto]

Per migliorare il funzionamento dell'espansione, oltre ad un corretto dimensionamento, si può ricorrere a specifici sistemi che incrementano il range d'intonazione, il rendimento e permettono d'adoperare espansioni più estreme nell'intonazione massima, innalzando notevolmente la potenza del motore a tutti i regimi. Questi sistemi sono:

  • Meccanici: metodi atti a modificare le dimensioni fisiche dell'espansione, sono altresì facilmente individuabili sul veicolo
    • Valvola di scarico: presente in ingresso al collettore dell'espansione, modifica la fasatura di scarico, permettendo all'onda di risonanza di arrivare alla luce di scarico nel momento più opportuno.
    • 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: il collettore può essere di varie lunghezze; si trova incassato all'espansione e generalmente fissato tramite molle. Adoperando un collettore corto si migliora il funzionamento agli alti regimi, mentre con un collettore lungo si migliora ai bassi regimi.
    • Gradino: il passaggio dei gas di scarico da una sezione di diametro minore a una di diametro maggiore in modo netto crea delle turbolenze che rallentano i fumi in uscita dal cilindro (generalmente tra boccola ed espansione); questa struttura fisica, soprattutto quando non si ha un'apertura rapida della luce di scarico (bassi regimi), aumenta l'arco d'intonazione, ma tende a ridurre l'intensità dell'intonazione massima. Generalmente viene usata su veicoli da competizione assieme all'ugello di de Laval.
    • Spillo intercambiabile: lo spillo viene fissato tramite una fascetta metallica presente sul cono convergente; lo spillo viene fissato evitando che esso entri nel cono convergente e viene bloccato mediante una vite; questo sistema permette d'utilizzare spilli di varia lunghezza (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 di lunghezza variabile: sistema che prevede la modificazione delle dimensioni dello scarico
      • Scarico di 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:
    • Variazione dell'anticipo: questo accorgimento ha un effetto molto ridotto sull'espansione, per questo è generalmente studiato 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 ed è paragonabile allo "scarico di lunghezza variabile" per quel che riguarda i risultati; questo sistema venne usato 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, 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 (dall'inizio dell'espansione fino all'inizio della sezione cilindrica): si velocizzano i gas in tutto lo scarico, specialmente nella parte iniziale dello stesso, 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 (dall'inizio della sezione cilindrica fino all'inizio dello spillo): si rende più costante la temperatura dei gas di scarico lungo tutta l'espansione, velocizzando l'onda di risonanza, che arriva più rapidamente, con intensità maggiore ed con un picco di pressione più corto, diminuisce l'arco d'intonazione con un lieve innalzamento del regime d'intonazione massimo.
      • Schermatura dell'intera espansione (dall'inizio dell'espansione fino all'inizio dello spillo): i gas rimangono ad una temperatura superiore per tutta la lunghezza dello scarico, facendolo risultare identico a un modello più corto ma non coibentato, aumentando l'intonazione massima, diminuendone l'arco d'intonazione e 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 per i regimi più alti, mentre con una carburazione più ricca di benzina si generano gas più freschi, che percorrono più lentamente l'espansione, intonandola meglio per i regimi più bassi
    • Freno aerodinamico: si tratta di una strozzatura del tutto paragonabile ad una rondella, posta tra lo spillo e il cono convergente; questa strozzatura, che può essere intercambiabile, modifica la velocità d'espulsione dei gas, determinando anche una modificazione della temperatura dello scarico e di conseguenza la 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.

Sistemi anti-inquinamento e di riduzione della potenza[modifica | modifica wikitesto]

L'espansione negli ultimi anni, per via delle normative sull'inquinamento, ha subito delle modifiche con l'adozione di alcuni dispositivi:

  • Doppio catalizzatore e 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 (che permette la reazione chimica nel secondo catalizzatore); questo sistema permette una riduzione delle emissioni. I primi mezzi a adoperare questo dispositivo furono i ciclomotori nel 2003.
    • Collettore intercambiabile: il collettore può essere di tipo 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 espansione: l'espansione con l'uso dei vari sistemi può essere ridisegnata per poter ridurre le perdite di potenza, come nel caso della Malaguti MR250 (moto per il solo mercato giapponese); questa moto utilizza un sistema di scarico in cui l'espansione è stata profondamente modificata nella forma, al fine di generare una potenza di 50 CV (un motore analogo privo di sistema anti-inquinamento genera la medesima potenza) rispettando l'omologazione Euro 3.[3][4]

Per poter ridurre la potenza della moto si effettuano generalmente:

  • Strozzatura iniziale: si utilizza all'inizio del collettore un tronco di cono che riduce bruscamente la sezione di passaggio oppure una semplice rondella o cilindro cavo.
  • Risuonatore esterno, è un elemento che serve per ridurre l'effetto dell'espansione contrastando le sue risonanze.
  • Spillo interno, al termine del cono convergente lo spillo entra nell'espansione anziché essere del tutto esterno.
  • Valvola di scarico bloccata, la valvola di scarico viene lasciata disattivata nella posizione per i bassi regimi, penalizzando gli alti e quindi la potenza massima.

Riparazioni[modifica | modifica wikitesto]

La camera d'espansione per via della sua forma e per la sua posizione tende in genere a rovinarsi e a formare delle bugne sulla stessa; esistono diverse soluzioni a queste tipologie di danno:

  • Pneumatica: si occlude un'estremità della camera d'espansione, si scalda la zona bugnata e tramite l'estremità libera si pompa aria in pressione, ripristinando la forma dello scarico.
  • Saldatura e tiraggio: si salda un elemento metallico (generalmente un filo di ferro) al centro della bozza e si mette in trazione il filo per estrarre la bugna; successivamente si rompe o taglia l'elemento usato e si leviga la superficie per eliminare i difetti che la riparazione ha causato.
  • Foratura e spinta: si esegue un piccolo foro sul lato opposto a quello della bozza e tramite un perno si spinge la bugna 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.

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ Programma gratuito per il calcolo dell'espansione
  2. ^ Altro programma gratuito per il calcolo dell'espansione
  3. ^ Malaguti MR250: la moto è realtà
  4. ^ Malaguti MR250

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]

Collegamenti esterni[modifica | modifica wikitesto]