Introduzione

L'ammissione nel carter in un motore 2 tempi nella configurazione più classica avviene grazie a delle luci comandate dal pistone piston port, pertanto la fasatura è fissa e centrata rispetto al PMS. Un'alternativa a questa soluzione è costituita dalla valvola a disco rotante rotary disc che permette di avere una fasatura indipendente dal movimento del pistone e quindi pur rimanendo fissa al variare del regime può essere asimmetrica rispetto al PMS.

Entrambe le due tipologie d'ammissione sopracitate presentando fasature fisse al variare del regime possono rendere al meglio solo in un certo range di funzionamento, infatti fasature ampie e nel caso della valvola a disco rotante accordate per sfruttare al meglio le onde di pressione e l'inerzia (quest'ultima dipende dal quadrato della velocità di rotazione) agli alti regimi, causano inevitabilmente riflussi nelle altre condizioni di funzionamento, mentre un'ottimizzazione a regimi inferiori con fasature più strette ovviamente penalizza il riempimento del carter in alto perché al crescere del regime a parità di gradi motore il tempo a disposizione della carica per entrare diminuisce.

Per massimizzare il riempimento del carter su tutto il campo di funzionamento è necessario avere una fasatura variabile al variare del regime, tale sistema d'ammissione è costituito dal pacco lamellare reed port. In questo caso la fasatura viene determinata dalle caratteristiche del motore stesso, infatti l'apertura e la chiusura dipendono dalla differenza di pressione tra il condotto di aspirazione e il carter Dp; nella situazione in cui il Dp è positivo la valvola è aperta, al contrario si chiude per evitare riflussi.

Caratteristiche

Al fine di studiare il comportamento del pacco lamellare analizziamo nel dettaglio il componente: come è possibile vedere dal disegno esso è costituito da un telaio a forma di cuneo nel quale la base è completamente aperta e costituisce l'area d'ingresso lato aspirazione, mentre sulle facce laterali di dimensioni maggiori sono ricavate delle finestre che costituiscono l'area di passaggio lato carter, al di sopra di tali finestre sono applicate delle lamelle elastiche sottili denominate petali che le coprono completamente. I petali sono incernierati su un solo lato pertanto possono sollevarsi e permettere il passaggio del flusso quando la differenza di pressione è favorevole.

Analisi del comportamento

Le dimensioni e la forma del telaio e delle finestre determinano la permeabilità del componente con i petali in posizione di massima apertura, pertanto il dimensionamento è funzione delle caratteristiche del motore e la forma è studiata per ridurre al minimo le perdite fluidodinamiche.

Il petalo costituisce invece l'elemento che determina il funzionamento vero e proprio del sistema, infatti dalle sue caratteristiche dipende la legge di apertura e chiusura della valvola.

Deformazione petalo

La deformazione del petalo è causata della differenza di pressione condotto d'aspirazione - carter Dp ed è importante perché determina l'area di passaggio in funzione del valore del Dp stesso.

Il petalo può essere trattato come una trave a sezione rettangolare incastrata sottoposta al carico determinato dalla differenza di pressione tra monte e valle; a prescindere dalla tipologia di caricamento la linea elastica del petalo e quindi l'alzata massima dipendono dalle dimensioni del petalo stesso (larghezza e spessore) e dal suo materiale, infatti essa è funzione del momento d'inerzia J e del modulo di elasticità normale E.

I materiali solitamente usati per la realizzazione dei petali sono:

Al fine di incrementare l'area di passaggio a parità di Dp, si cercano di utilizzare petali in materiale molto elastico (E basso) e spessori ridotti; ciò presenta un limite che è determinato dalla resistenza strutturale a fatica che il petalo deve offrire nella sezione più sollecitata, cioè quella d'incastro, dove si hanno intensità di taglio e momento flettente massimi. La larghezza del petalo, anch'essa influente sullo spostamento verticale dello stesso, è invece funzione della larghezza delle finestre studiate per il motore in esame.

Dinamica del petalo

I regimi di rotazione elevati portano ad avere una durata molto limitata delle fasi durante il ciclo motore, e ciò vale anche per la fase d'ammissione. A fronte di questa considerazione è evidente come il tempo di risposta del petalo sia importante, pertanto oltre alla statica è necessario analizzare la dinamica di funzionamento. Trascurando gli smorzamenti per attriti interni al materiale stesso il petalo può essere trattato come un sistema massa-molla. Analizzando il tipo di vincolamento ed il carico a cui è soggetto il petalo emerge che la costante elastica varia in funzione del tratto di petalo che si considera, infatti nelle immediate vicinanze dell'incastro la rigidità è elevata mentre muovendosi verso l'estremità del petalo questa diminuisce progressivamente; per effetto di questi andamenti la costante di tempo risulta minima in prossimità dell'incastro e massima all'estremità.

L'inverso della costante di tempo è importante anche da un punto di vista strutturale in quanto deve essere lontana dalla frequenza del sistema motore per evitare la rottura.

Fluidodinamica del pacco lamellare

Per determinare il comportamento fluidodinamico dell'intero pacco lamellare è necessario studiare il flusso in condizioni stazionarie con il petalo ad un'alzata prefissata e determinare il coefficiente d'efflusso fluidodinamico. Questa analisi può essere effettuata o attraverso prove sperimentali di flussaggio o tramite la simulazione tridimensionale CFD, e permette di vedere il comportamento fluidodinamico alle diverse alzate del petalo, che può essere differente perché cambiano le condizioni di attacco e distacco della vena fluida.

Effetti della pressione dinamica

Dall'analisi del comportamento del pacco lamellare nella sua applicazione sul motore emerge come l'apertura del petalo sia determinata dalla differenza tra la pressione totale a monte e quella statica a valle; nelle condizioni in cui il petalo è chiuso la pressione totale a monte coincide con la pressione statica in quanto il flusso è nullo, ma appena si apre il petalo e il fluido prende velocità parte della pressione statica si trasforma in pressione dinamica. Calcolare il Dp considerando anche a flusso avviato la pressione statica a monte in luogo di quella totale sarebbe un errore perché il flusso che si arresta sul petalo dà anch'esso un contributo che è pari alla pressione dinamica.