Le valvole e il moto nei condotti di aspirazione e scarico (da G

Le valvole e il moto nei condotti di aspirazione e scarico
(da G. Ferrari, Motori a Combustione Interna)
Le valvole regolano il flusso dei fluidi in entrata e uscita dal cilindro dei motori a 4 tempi, con la
corretta fasatura illustrata dal diagramma della distribuzione (figg. VIII.4 e VIII.5 e tabella VIII.1).
La valvola è del classico tipo a fungo, la cui nomenclatura è illustrata nelle figg. 2.4 e 2.5.
La sezione di efflusso, Av,varia con l’alzata della valvola, e si calcola diversamente per i casi di
alzate medio-piccole, medio-alte e alte. Definendo i valori limite delle alzate per ognuno dei tre casi
come illustrato nella figura a mano libera, le corrispondenti superfici di efflusso sono così definite:
per alzate medio-piccole è la superficie laterale di un tronco di cono circolare retto con base minore
pari al diametro minimo del piattello della valvola, dv, base maggiore pari al diametro massimo del
piattello della valvola, dM, e generatrice perpendicolare alla sede valvola, 𝑙 = ℎ ⋅ sin 𝛽, per cui:
𝜋
𝐴𝑣 = ⋅ (𝑑𝑣 + 𝑑𝑀 ) ⋅ 𝑙 = ℎ ⋅ sin 𝛽
2
Per alzate medio-alte la generatrice del tronco di cono non può più essere perpendicolare alla sede
valvola e diventa 𝑙 = �(𝑠 ⋅ sin 𝛽)2 + (ℎ − 𝑠 ⋅ cos 𝛽)2 , per cui:
𝜋
𝐴𝑣 = ⋅ (𝑑𝑣 + 𝑑𝑀 ) ⋅ �ℎ2 + 𝑆 2 − 2 ⋅ 𝑆 ⋅ ℎ ⋅ cos 𝛽
2
Quando la sezione così calcolata raggiunge il valore corrispondente alla sezione minima trasversale
𝜋
della valvola, 𝐴𝑣 = 2 ⋅ (𝑑𝑣2 − 𝑑𝑠2 ), si considera quest’ultima quale sezione effettiva di efflusso.
Poiché essa è indipendente dall’alzata, è evidente che un ulteriore aumento di quest’ultima non ha
più senso (in molti casi è una situazione limite che non viene raggiunta).
La portata attraverso le sezioni così definite può essere calcolata nell’ipotesi di flusso quasistazionario, per cui dipende dalla differenza di pressione istantanea tra condotto e cilindro e dal
coefficiente di efflusso (in entrata e in uscita), che determina l’area “efficace” di efflusso (vedi fig.
2.6).
I valori del coefficiente di efflusso in funzione dell’alzata si possono determinare sperimentalmente
al banco di flussaggio stazionario (Fig. 2.7). Per motivi di praticità il coefficiente di efflusso è così
definito:
𝐶=
𝑚̇𝑎
𝑚̇𝑖
dove 𝑚̇𝑎 è la portata d’aria misurata e 𝑚̇𝑖 è la portata teorica che fluirebbe in condizioni
isoentropiche ideali attraverso la sezione trasversale, costante, della sede valvola, 𝜋 ⋅ 𝑑𝑣2 /4. Sia nelle
condizioni di prova che nelle condizioni effettive di funzionamento in un motore i valori di C sono
praticamente indipendenti dal numero di Reynolds (e quindi dalla differenza di pressione a cavallo
della valvola), e si possono utilmente diagrammare in funzione di del rapporto h/dv, come in Fig.
2.9.
Il coefficiente di efflusso così definito ingloba gli effetti delle perdite fluidodinamiche e della legge
di variazione delle aree di efflusso con l’alzata. Se si vogliono evidenziare solo le prime è
necessario riferire il coefficiente di efflusso, Cf, alla sezione di passaggio variabile, definita
convenzionalmente come la superficie laterale di un cilindro di diametro dM e altezza h. Si possono
così evidenziare i dettagli fluidodinamici illustrati nella Fig. 2.13 con riferimento a una valvola di
aspirazione e nella Fig. 2.17 con riferimento a una valvola di scarico, oltre ad analizzare l’influenza
della forma dei condotti, come nelle Figg. 2.16 e 2.19.
Per quanto riguarda i valori di differenza di pressione tra condotti e cilindri che si realizzano istante
per istante nel motore, questi dipendono dalla fluidodinamica instazionaria dei condotti. Si possono
distinguere effetti inerziali, dovuti al moto di trasporto in stazionario del fluido, e effetti d’onda
legati alla propagazione alla velocità del suono delle onde di pressione. Ne risultano andamenti
delle pressioni come quelli descritti a titolo di esempio nelle Figg. 4.2, 4.3 per motori a 4 tempi e
nelle Figg., 4.10 e 4.11 per motori a 2 tempi.