Impianto di scarico Motomeccanica Piaggio Zip SP Stage RT 70

Lo scooter piaggio zip sp è molto impiegato nelle competizioni, per questo motivo sono presenti sul mercato diversi componenti studiati per migliorare le prestazioni, e tra questi vi sono anche impianti di scarico dedicati.

 

PROVE AL BANCO SCARICHI AFTER-MARKET

MotoMeccanica ha inizialmente voluto testare i prodotti presenti sul mercato con il proprio banco prova al fine di valutare le reali prestazioni del motore Stage 6 70 RT con questi impianti a prescindere dai dati dichiarati. Infatti essendoci diverse tipologie di banchi prova sul mercato, non tutti con lo stesso livello di precisione, ed inoltre essendo il motore 2 tempi molto sensibile alle condizioni e alle modalità con cui viene eseguito il lancio, purtroppo parlare di cavalli e prestazioni in senso assoluto non può essere un riferimento valido, ma è necessario fare confronti con lo stesso banco, nelle stesse condizioni e nella stessa modalità.

L’impianto di scarico deve essere in grado di creare un onda di pressione che crea una depressione nella prima fase, al fine di favorire la fuoriuscita dei gas esausti e l’ingresso della carica fresca dai travasi, dopodichè quando si stanno chiudendo le luci di travaso, deve creare una sovrapressione per bloccare l’uscita della carica fresca dallo scarico.

Eseguiti i test, si è individuato l’impianto di scarico che attualmente sul mercato offre le migliori prestazioni del motore in esame , con l’obiettivo di realizzare uno scarico migliorativo.

 

 

ANALISI TERMO-FLUIDODINAMICA MOTORE

Prima di avventurarsi nello sviluppo di un nuovo impianto di scarico si è voluto vedere se vi erano margini di miglioramento rispetto agli scarichi attuali, ci si è pertanto affidati ad un’analisi termo-fluidodinamica del motore, inserendo nella simulazione il miglior impianto di scarico tra quelli sul mercato.

Dai risultati dell’analisi termo-fluidodinamica si è visto che si tratta di un impianto di scarico di buon livello, infatti nel cuore del funzionamento si hanno rendimenti di intrappolamento in linea con quanto ci si aspetta da un impianto di scarico racing.

L’impianto di scarico preso in esame consente di sfruttare in maniera adeguata le caratteristiche del motore, pertanto in linea generale i margini di miglioramento appaiono globalmente ristretti.

Dall’analisi si è però potuto vedere ancora più in profondità il comportamento dell’impianto di scarico in tutti i regimi di funzionamento, analizzando la pressione istantanea che si ha sulla luce di scarico durante il ciclo motore nei regimi che vanno da 12000 rpm a 14000 rpm.

 

Dai grafici si vede come l’onda di sovrapressione arrivi correttamente alla chiusura dei travasi (linea rossa) nei regimi 12000-12500, e poi tenda ad arrivare in ritardo al crescere dei giri 13000-13500, sino ad essere decisamente in ritardo a 14000 rpm dove infatti le prestazioni del motore crollano.

Alla luce di questi risultati si è potuto vedere che dai 13000 giri in poi vi sono ancora margini di miglioramento ,pertanto si è deciso di sviluppare il nuovo impianto di scarico per migliorare le prestazioni del motore proprio in questa zona di funzionamento che poi sarà quella dove andrà a lavorare il variatore e quindi la più influente sulle prestazioni in pista.

 

SVILUPPO IMPIANTO DI SCARICO

Una volta individuati grazie all’analisi i margini e le zone su cui concentrare lo sviluppo, si è proseguito lo studio fluidodinamico per determinare attraverso una serie di simulazioni la geometria migliorativa nei regimi desiderati.

Terminata la fase progettuale, si è poi passati a quella realizzativa.

Questa fase è altrettanto importante, in quanto la geometria di scarico influenza in maniera significativa le prestazioni del motore  anche se spesso è difficile da credere ma anche il millimetro può fare la differenza… Pertanto in un caso come questo dove già il margine di miglioramento è ristretto, si è lavorato per tradurre le misure ottenute dai calcoli nella maniera più fedele possibile sulla marmitta realizzata.

MotoMeccanica è dotata di un software personalizzato che gli consente di ottenere gli sviluppi di ogni singolo tratto della marmitta con la massima precisione, ed ha provveduto ad unire i diversi elementi rispettando le misure emerse dai calcoli in ogni punto.

 

Verifica al banco prova

Dopo tanti rilievi, tanti calcoli finalmente si è arrivati al banco prova!

Si è cercato di effettuare le prove con metodo, cercando di mantenere costanti la temperatura e l’umidità per quanto riguarda le condizioni ambientali all’interno della stanza  e tenendo sotto controllo sia la temperatura dell’acqua, sia la temperatura dei gas di scarico a parità di anticipo accensione per quanto riguarda il motore, in questo modo si è potuto fare un confronto realistico delle prestazioni del motore con il nuovo impianto di scarico, rispetto a quelle con lo scarico preso come target di riferimento.

GRAFICI TEMPERATURE DELLE PROVE

 

 

I risultati dimostrano come l’obiettivo sia stato centrato pienamente, infatti grazie alla nuova geometria di scarico studiata, si è riusciti ad ottenere un incremento prestazionale proprio nella zona di lavoro del variatore, senza penalizzare le prestazioni su tutto l’arco di funzionamento.

L’entità del risultato è da considerarsi considerevole, in quanto si è partiti da un impianto di scarico già di buon livello che come si è visto dall’analisi termo-fluidodinamica presentava margini di miglioramento ristretti, pertanto aver ottenuto un incremento di potenza nel picco massimo pari al 3-5% ed al massimo dei giri addirittura del 18-25% può certamente fare la differenza in pista.

Inoltre l’incremento prestazionale ottenuto dai 13000 ai 14000 giri ed oltre, potrà essere gestito come più si desidera lavorando sulla carburazione e sull’ anticipo, per privilegiare il picco massimo o l’allungo a seconda delle esigenze.

Ecco il video al  banco prova motore !

Le Lamelle

Chiunque abbia messo le mani su un motore a due tempi, prima o poi ha avuto a che fare con le lamelle!

Questo componente apparentemente semplice, che purtroppo spesso viene trascurato, riveste un ruolo di grande importanza per il motore, il quale  andrebbe studiato e scelto con cura al fine di  sfruttare al meglio le potenzialità del proprio motore.

In questo articolo vi vogliamo far capire cosa c’è dietro alle tante parole che si sentono, materiale, spessore, colore … ecco una cosa possiamo già dirvela.. il colore non conta nulla, ma magari fa vendere di più!

Prima dell’introduzione del pacco lamellare, la fase di aspirazione era comandata da una luce gestita dal pistone, o da un disco rotante, il limite di queste tipologie di ammissione era che funzionavano correttamente solo in un range limitato di giri, infatti a seconda delle fasature scelte, si aveva l’accordatura fluidodinamica solo ad alcuni regimi e agli altri vi erano inevitabili riflussi che riducevano drasticamente il riempimento e quindi le prestazioni del motore.

Il pacco lamellare nasce proprio per ovviare a questa problematica, ed è studiato per garantire che il fluido entri nel motore quando le condizioni di pressione sono favorevoli, e non rifluisca quando le condizioni diventano sfavorevoli, tutto ciò avviene grazie alle lamelle.

engine

 

è chiaro quindi quanto le lamelle siano fondamentali per far lavorare adeguatamente il pacco lamellare ed il motore.

Tralasciamo per ora il dimensionamento e la fluidodinamica del pacco lamellare, di cui magari parleremo in un prossimo articolo e concentriamoci sulle lamelle.

Come è noto , le lamelle svolgono la funzione di aprire e chiudere la valvola (pacco lamellare) in base alle condizioni di pressione che ci sono a monte, (carburatore) e a valle del pacco (carter).
Le lamelle devono avere quindi, delle caratteristiche meccaniche che in base alle condizioni di pressione che ci sono,di aprirsi adeguatamente per far entrare quanto più fluido possibile e poi di richiudersi bloccando il riflusso.

riflusso

La difficoltà del dimensionamento delle lamelle nasce dal fatto che le condizioni di pressione cambiano continuamente durante il ciclo motore durante i regimi e soprattutto variabile da motore a motore.

La determinazione delle condizioni in cui si troveranno a lavorare le lamelle è fondamentale per affrontare lo studio, ma è tutt’altro che semplice, per cui si dovrebbero rilevare durante il ciclo motore le pressioni a monte e valle del pacco lamellare, in tutti i regimi di rotazione di interesse e ciò all’atto pratico risulta molto complesso e dispendioso,fortunatamente conoscendo le caratteristiche del motore, le prestazioni del motore, ed i regimi di rotazione, con appositi software si riescono ad avere delle stime precise delle condizioni di pressione che si avranno in funzionamento e quindi si potrà affrontare il dimensionamento in maniera corretta.

 

 

In primo luogo è necessario capire in quale range di condizioni si troverà a lavorare la lamella, infatti il motore non lavora ad un solo regime di rotazione, ma ha un campo di utilizzo, quindi è necessario trovare il miglior compromesso per tutta l’area di funzionamento.

dp press media

Individuate queste condizioni, bisogna dimensionare le lamelle affinché riescano a svolgere adeguatamente le seguenti funzioni:

 

– Scoprire il più possibile le finestre del pacco nelle diverse condizioni di pressione;
– Avere una resistenza strutturale tale da resistere ai cicli di apertura e chiusura che avvengono ogni giro motore;
– Avere una frequenza propria che eviti condizioni di risonanza con le frequenze del motore.

freq ris max

 

Note le condizioni ,si può studiare il dimensionamento per raggiungere gli obiettivi sopra citati.. e qui viene il bello!
Infatti il problema principale è quello di dover soddisfare tante necessità agendo in buona sostanza solo su due parametri, il materiale e lo spessore della lamella!,in realtà oltre a questi, c’è una terza via, quella di abbinare balestrini, distanziali, ecc., ma la cosa si complicherebbe ancora di più .. e magari ne parleremo in un articolo dedicato.

Rimanendo al caso di lamella singola, sia la larghezza, sia la lunghezza, dipendono dalle dimensioni delle finestre del pacco, quindi per quanto riguarda le dimensioni si può variare il solo spessore e se ciò non fosse sufficiente, come dicevamo, non rimane altro che sostituire il materiale, quindi è chiaro come il materiale della lamella, sia il punto chiave su cui lavorare per ottenere il risultato ottimale.

Tecnicamente parlando, il materiale interviene sugli obiettivi che deve raggiungere la lamella principalmente per tre proprietà fisiche:

– Modulo di elasticità o di Young;
– Densità;
– Resistenza meccanica;

Il modulo di elasticità determina assieme al momento d’inerzia, di quanto si solleva la lamella sotto una certa differenza di pressione, quindi è direttamente influente per soddisfare la necessità di scoprire il più possibile le finestre del pacco lamellare in base alle condizioni create dal motore.

Per ciò che concerne la frequenza propria che la lamella deve avere per non andare in risonanza con la frequenza del motore, oltre al modulo di elasticità, l’altra proprietà che interviene è la densità del materiale.

Infine la resistenza meccanica è fondamentale per evitare rotture durante il funzionamento per garantire un’adeguata durata in funzione alle necessità.

tensione media lamelle

Come abbiamo visto, a parte il discorso di resistenza meccanica, il materiale deve avere due proprietà che si sposino correttamente per soddisfare le necessità, quindi avere un corretto modulo di Young, abbinato ad una densità errata o viceversa, non permetterebbe di ottenere il risultato richiesto in tutti i suoi aspetti.

Il primo materiale utilizzato per le lamelle era l’acciaio armonico, che come è noto, le caratteristiche di elasticità e densità cambiano di poco da un tipo all’altro, pertanto la principale variabile su cui si interveniva quando si usava questo materiale, era lo spessore, che variava a seconda delle caratteristiche del motore e dei regimi di utilizzo.

lamellaOvviamente questo era molto limitante, soprattutto quando nel tempo la crescita di prestazioni e regimi di rotazione dei motori ha portato a trovarsi in condizioni di funzionamento più critiche, a cui era difficile far fronte col solo spessore o con piccole variazioni di elasticità e densità.

La svolta tecnica da questo punto di vista è stata con l’avvento dei materiali compositi.

tessuto 2

 

Il composito per come è concepito, permette di sperimentare con le fibre e le matrici , modificando le proprietà fisiche del materiale finale, quello di cui si ha bisogno nella progettazione delle lamelle .

 

 

materiali

Il grafico mostra quanto detto per i materiali, con l’acciaio (azzurro) che ha un limitato campo di manovra, a confronto con i compositi in fibre di vetro (verde) e quelli in fibre di carbonio (rosso).
Se da un punto di visto tecnico, appare quindi più facile trovare grazie ai compositi il materiale che soddisfi le tante necessità nelle diverse situazioni, da un punto di vista pratico non è proprio  così.

Facciamo un esempio per capire meglio  :

Come abbiamo appena visto nel grafico precedente  il carbonio permette un campo di manovra più ampio , per cui sperimentando con le varie  fibre possiamo  ottenere  a parità di spessore (es : 0.35 mm), un materiale avente un alto modulo di elasticità ,(es: Y 67000) ed un’altro con modulo intermedio ( es:Y19000)  i due materiali ottenuti dalla nostra sperimentazione  avranno sia caratteristiche  differenti ,sia  differenti  applicazioni finali ,in base al tipo di  cilindrata, utilizzo e pacco lamellare che si presenti.. tutto questo pur essendo dello stesso  spessore !

Ecco cosa accade  istallando i materiali appena descritti sul medesimo pacco lamellare a parità di condizioni di pressione generate dal  motore in esame..

 

Proviamo  con un altro esempio , ad istallare  sullo stesso pacco lamellare due materiali   aventi sia proprietà fisiche  differenti ,che di  spessore.

Come si potrà notare , modificando  le proprietà  fisiche del materiale finale , lo spessore maggiore in questo caso offre migliori risultati rispetto al minor spessore …

Questo significa che non sempre il maggior spessore  è..  sinonimo di ” necessariamente  più rigida “…

Da ciò possiamo  capire che nella ricerca e sviluppo dei materiali in fibra di carbonio  , lo spessore sia in realtà soltamente un numero…Pertanto,  senza un adeguato studio  dei componenti di alimentazione sulla base del motore in esame,non si può  stabilire a priori  quale sia lo spessore corretto da adottare, ed altre caratteristiche che devono avere le  lamelle  per ogni singolo motore.

Sebbene l’utilizzo di materiali compositi sia sempre crescente, le produzioni  adatte all’utilizzo nelle lamelle è limitata .

Nella maggior parte dei casi ci affidiamo al  materiale che si trova in commercio  sotto forma di fogli o lastre, ma viste le innumerevoli  cilindrate esistenti, varie  tipologie di pacco lamellare , volumi carter pompa ecc ,il materiale acquistato  può risultare idoneo  ad un caso piuttosto che ad un altro..

Altra problematica che si incontra con i materiali compositi per lamelle in commercio è che le caratteristiche fisico-meccaniche non vengo mai dichiarate, pertanto la scelta avviene per tentativi  con il classico metodo trial & error, ed alla fine non si ha mai la certezza di aver trovato il meglio per il nostro motore.

Per questo motivo, MotoMeccanica ha costruito un proprio strumento che abbinato ad un apposito software, consente di determinare le caratteristiche di elasticità e densità dei materiali e delle lamelle in commercio, ciò le permette di valutare con cognizione di causa se un materiale commerciale  può essere adatto o meno alle specifiche necessità di ogni motore e pacco lamellare che di volta in volta si  presenta.

Tuttavia può accadere che tra tutto quanto c’è in commercio non ci sia davvero l’ottimale, pertanto MotoMeccanica in base alle caratteristiche che appaiono necessarie dai calcoli e dalle prove sperimentali che effettua per ogni singolo sviluppo ,richiede ai costruttori di compositi specifiche caratteristiche, lavorando sulle trame, spessori , tipologia delle fibre, e sul materiale della matrice ,al fine di ottenere il materiale idoneo per il nostro motore.

 

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Come avete visto in questo articolo dietro ad una semplice lamella si nasconde tanta tecnica, ed ancora molto altro ci sarebbe da dire, ma questo lo faremo in un prossimo articolo.

La tecnica del flussaggio

Con questo articolo vogliamo soddisfare la curiosità dei  nostri visitatori  svelando … ahinoi … qualche piccolo segreto, che fa la differenza tra buon flussaggio e un  “flussaggio!”.

Come ci insegna la fisica, quando un fluido attraversa un componente inevitabilmente il flusso perde parte della sua forza, in quanto per via della forma, degli attriti e degli ostacoli che si hanno all’interno del componente, si creano delle perdite fluidodinamiche che riducono la portata.

Il motore da un punto di vista fluidodinamico, lo si può considerare un insieme di componenti attraversati ciclicamente da un fluido, infatti ad ogni ciclo l’aria entra dall’aspirazione e dopo aver compiuto tutte le fasi esce dallo scarico.

Potete quindi ben capire come per ogni componente del motore sia importante ridurre le perdite fluidodinamiche, per ottenere una portata più alta e quindi migliorare le prestazioni.

Nello sviluppo di un motore, parallelamente alla ricerca dell’affidabilità meccanica, il miglioramento dell’aspetto fluidodinamico riveste uno dei ruoli chiave per giungere a livelli di prim’ ordine, sia in ambito produttivo, sia in ambito racing.

Per ciò che concerne la fluidodinamica del motore, oltre alla simulazione fluidodinamica che consente la definizione delle geometrie, delle fasature, ecc, per trovare l’accordatura ottimale tra tutti i componenti e sfruttando al meglio le onde di pressione che si generano per via del funzionamento dinamico del motore, il flussaggio dei componenti è ancora oggi una delle fasi fondamentali per ottimizzare le prestazioni del motore.

Infatti una volta che un motore ed i suoi componenti sono stati definiti, più si riducono le perdite e più le prestazioni aumentano, e ciò è vero per ogni motore.

Il flussaggio è una prova sperimentale , dove si crea una prefissata differenza di pressione tra ingresso e uscita del componente e si misura la portata di fluido (in ambito motoristico aria) che attraversa il componente stesso.

Fin qui sembra tutto facile.. basta vedere se il componente modificato da più portata a parità di pressione ed il gioco è fatto.. e qui invece nascono i problemi.

Innanzitutto bisogna considerare che il motore ha un funzionamento dinamico, che cambia istantaneamente ogni grado motore e  si ripete ciclicamente a tutti i numeri di giri, mentre  il flussaggio determina condizioni stazionarie che mai si presentano nel motore.

E qui nasce la prima domanda.. i risultati del flussaggio sono attendibili e si riscontrano poi nel motore?
La risposta è si, ma ….  solo se la prova viene eseguita  in condizioni adeguate!

Infatti le perdite fluidodinamiche cambiano a seconda delle condizioni di moto che si generano, (Numero di Reynolds, ecc.) pertanto se si flussa in condizioni lontane da quelle in cui poi si troverà a lavorare il componente, i risultati del flussaggio potrebbero essere furvianti, o addirittura opposti, basti pensare a cosa accade nelle valvole, a basse, medie e alte alzate, il filetto fluido cambia continuamente comportamento, creando più o meno vortici a seconda della condizione e questo vale  anche per gli altri componenti, quindi se le condizioni di flussaggio non sono esatte , l’informazione che si ottiene dalla prova sarà errata.

MotoMeccanica si è quindi dotata di specifici software, che le consentono di analizzare nel dettaglio le condizioni di prova e  capire quali siano le differenze di pressione da utilizzare a seconda del motore e del componente che si sta flussando.

Questo è il primo aspetto che permette di avvicinarsi il più possibile alle condizioni in cui si troverà a lavorare il componente nel funzionamento del motore, quindi se la prova di flussaggio darà un miglioramento,  lo si ritroverà certamente anche nelle prestazioni del motore.

flow bench

 

DCF 1.0

 

Abbiamo detto che è fondamentale cercare di ricreare al flussaggio le condizioni più simili possibile a quelle che si avranno nel motore, ed oltre alla pressione, che consente di creare un flusso simile a quello che si avrà nel motore, sarà importante anche considerare dov’è posizionato nel motore il componente che si sta flussando e cosa accade a monte e a valle del componente stesso.

Due esempi ci aiuteranno a capire meglio: quando si flussa una testata , senza applicare  collettore, corpo farfallato cornetti, ecc, questo quando  si vuole vedere il comportamento dei condotti entro-testa , tutto ciò è “quasi” corretto, quasi perchè?.. perchè infatti  si genera una perdita che nella realtà non c’è, ovvero sia la perdita d’imbocco, che a volte può alterare il risultato finale .. Discorso simile quando si flussa il pacco lamellare, solitamente lo si flussa posizionandolo direttamente sul banco di flussaggio nel falso cilindro, però in tal modo a valle si crea un flusso differente da quello reale, in quanto nel carter o cilindro lo spazio è definito dalla geometria  del condotto stesso ,ed il flusso ha modo di procedere in una direzione pressoché monodimensionale, mentre nel falso cilindro di un banco di flussaggio può crearsi  un flusso tridimensionale che nella  realtà effettivamente non c’è ,alterando cosi il risultato e quindi si possono ottenere false informazioni dalla prova… vanificando cosi giorni e giorni  di prove a capire il perchè  quel componente  dava ottimi risultati  al banco di flussaggio.. e però  in pista poi risultava il contrario…

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MotoMeccanica cerca di curare le condizioni di prova di flussaggio applicando opportuni cornetti, eseguendo le  prove con condotti che simulano il carburatore, inserendo falsi carter, ecc, in modo che il risultato sia il più realistico possibile e  quindi lo si ritrovi in un miglioramento reale delle prestazioni.

E questo è solo l’inizio dei tanti aspetti da considerare per fare prove di flussaggio che aiutino a sviluppare componenti che realmente  migliorino le prestazioni del motore … seguiteci e magari prossimamente vi racconteremo qualche altro aspetto tecnico da curare!