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

Storia

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.

Utilizzato fin dalla prima metà del 1900 nei motori diesel a testa calda dei 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 MZMotorradwerke Zschopau. introduce il concetto di travaso ausiliario, per sfruttare appieno il fenomeno delle onde di pressione.Massimo Clarke: “I primi dischi rotanti da corsa”.

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, presente nel carter. Dato che una parte della carica fresca uscirà dallo scarico, tutta o parte di questa carica dovrà essere pompata nuovamente nel cilindro tramite un pistone pneumatico, in modo da contribuire alla combustione e ridurre gli incombusti allo scarico, tale soluzione del pistone pneumatico si 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. 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.

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: 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. La lunghezza di questa parte viene influenzata dalla sua sezione di passaggio, infatti all'aumentare della sezione è necessario aumentare la lunghezza per compensare la maggiore velocità di svuotamento e poter così mantenere lo stesso regime d'intonazione dello spillo, ma viene ridotta l'intensità delle onde generate dallo spillo, che in compenso hanno un arco d'intonazione superiore.

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

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 sportiviDa competizione o ad alte prestazioni. basterà un range d'intonazione piccolo, dato che il motore viene utilizzato per un arco di regimi ridottoTipicamente 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, che forniscono le misure delle varie parti dello scarico, a seconda delle esigenze e dei paramenti del motore.Programma gratuito per il calcolo dell'espansione .Altro programma gratuito per il calcolo dell'espansione.

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

Struttura

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.

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 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'espansioneGeneralmente per tubi di scarico di tipo quattro tempi. 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: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 nuovo 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 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.

Accorgimenti dell'espansione Per migliorare il funzionamento della camera d'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