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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.
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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.
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