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MOTORE A DUE TEMPI


Vediamo l'altra tipologia, fino a qualche anno fa molto diffusa, di motori a combustione interna: il due tempi. In questo motore l'intero ciclo viene concluso in un solo giro dell'albero motore. Questo motore non presenta (perlomeno nel due tempi tradizionale a carter pompa) valvole di aspirazione o di scarico, meccanicamente quindi è molto più semplice del quattro tempi avendo meno componenti. Un due tempi monocilindrico, infatti ha minimo 3 parti in movimento (biella, albero motore e pistone), contro le almeno 6 di un quattro tempi (biella, albero motore, pistone, due valvole, albero a camme). L'immissione e scarico della miscela aria/benzina/olio e dei gas combusti avviene attraverso delle luci (fori) nel cilindro. L'albero motore è alloggiato in un carter che assolve alla funzione di pompa. Quindi, mentre il pistone sale crea una depressione nel carter, mentre scende una pressione.
Vediamo il funzionamento. Quando il pistone è al Punto Morto Superiore (PMS), è appena avvenuto lo scocco della scintilla della candela, il gas si sta espandendo spingendo verso il basso il pistone. Raggiunto un certo angolo di manovella, si scopre la luce di scarico e i gas combusti iniziano quindi a fuoriuscire dal cilindro. Qualche grado di manovella più avanti, si scoprono anche le luci di aspirazione, e quindi la miscela, che era precedentemente contenuta nel carter, inizia ad entrare nel cilindro, aiutata dalla sovrapressione raggiunta nel carter e dalla depressione formata dai gas di scarico che stanno uscendo. L'ingresso della miscela fresca spinge fuori i gas di scarico, avviene la fase definita "lavaggio", quindi raggiunto il Punto Morto Inferiore (PMI) il pistone ricomincia a salire, chiude prima le luci di aspirazione, poi quelle di scarico. Inizia ora la compressione della miscela contenuta nel cilindro, mentre la salita del pistone crea una depressione all'interno del carter motore, che quindi si riempie di miscela pronta per entrare nel cilindro nella fase successiva.

Schema motore a due tempi


Analizziamo subito i problemi che presenta questo tipo di motore. Innanzitutto, non esiste come nel 4 tempi un serbatoio dell'olio (che può essere separato o direttamente ricavato nel carter) e quindi una circolazione di olio nei vari componenti in movimento, l'olio da lubrificazione allora deve essere immesso nel motore assieme alla benzina, o miscelato manualmente durante il rifornimento, oppure tramite un miscelatore automatico che unisce olio e benzina poco prima del loro ingresso nel carter. Questo porta a dei problemi di lubrificazione nel caso si percorrano discese a gas chiuso, in questa condizione infatti l'olio che entra è minimo ma il motore gira trascinato dalle ruote, inoltre da anche problemi riguardo alle emissioni allo scarico, visto che l'olio viene bruciato e scaricato attraverso lo scarico.
Un altro problema riguarda i rifiuti all'aspirazione. I vecchi due tempi avevano il carter collegato all'esterno tramite un condotto occluso dal pistone (come si vede nell'immagine sopra), il problema di questa configurazione è che quando il pistone ricomincia a scendere, e il condotto di aspirazione ancora non è chiuso dal pistone, parte della miscela appena aspirata torna indietro. Naturalmente, questo porta a delle prestazioni scadenti, infatti avrò poi anche meno pressione dentro al carter e meno miscela che entra poi nel cilindro.
Si è cercato inizialmente di risolvere questo problema tramite dei freni aerodinamici, ovvero dei condotti che offrissero poca resistenza al fluido in un verso, e molta nell'altro verso. Questo frenava parte del fluido dal tornare indietro, ma non risolveva totalmente il problema. Sono quindi nate le valvole lamellari, ovvero delle valvole (realizzate con lamine di acciaio, ma anche in vetroresina o fibra di carbonio) che permettevano il movimento del fluido in un verso, ma non nell'altro.

Pacco lamellare


Inizialmente, questa valvola veniva semplicemente inserita a caso nel carter, e non si rilevava un aumento di potenza del motore, l'utilizzo non ne era giustificato. Questo avveniva perchè la valvola impiegava del tempo ad aprirsi, quindi la miscela non fluiva immediatamente all'interno del carter, mentre senza valvola parte della miscela tornava indietro, ma appena il pistone scopriva il condotto affluiva velocemente nel carter, quindi non cambiava molto. Si è allora pensato di posizionare la valvola lamellare di fronte alla luce di scarico, e di fare il travaso di aspirazione di fronte allo scarico (ovvero il condotto che porta miscela dal carter al cilindro) leggermente più alto degli altri. Cosi facendo, le onde di depressione provenienti dallo scarico passavano per il travaso di fronte allo scarico, incontrando la valvola a lamelle e aprendola quindi anticipatamente. Con questa disposizione, è stato possibile migliorare il riempimento del carter.
La valvola lamellare però è la classica coperta corta che limita il numero di giri di un motore. Infatti, le lamelle sono acquistabili con vari spessori, e quindi con diverse costanti elastiche (naturalmente, più la lamella è spessa e più sarà rigida). Lamelle più sottili saranno più rapide ad aprirsi, quindi daranno un buon comportamento del motore a basso numero di giri, ma oltre un certo regime (ovvero oltre una certa frequenza di apertura) entreranno in risonanza, piegandosi in maniera anomala, limitando l'afflusso di miscela e rischiando di rompersi. Utilizzando lamelle più spesse, si risolve questo problema, il motore può salire di più di giri, però saranno più "dure" da aprire a regimi inferiori, il motore cioè perderà coppia in basso. Una possibile soluzione a questo problema è la valvola a disco rotante. Questa consiste in un condotto di aspirazione formato da un semplice tubo, non occluso dalle lamelle, ma occluso da questa valvola formata da un disco con una fessura. Modificando l'ampiezza di questa fessura, è possibile aumentare o diminuire il tempo in cui il condotto rimane aperto, e sopratutto si può comandare il condotto in maniera asimmetrica, ovvero la fase prima del PMI può essere diversa da quella dopo il PMI. Questo sistema può dare dei rifiuti all'aspirazione a regimi molto bassi, ma la possibilità di regolare la fasatura lo rende il sistema più prestazionale quando si ricercano le massime prestazioni. Le Aprilia 250 GP, prima dell'avvento della categoria moto 2 nel motomondiale, avevano i motori realizzati così, e ricorderete le loro prestazioni in rettilineo, decisamente superiori alle avversarie.

Disco rotante


Oltre a questi appena descritti, però, il due tempi ha il problema più grosso nella fase di lavaggio. Come abbiamo gia visto, mentre il pistone sta scendendo verso il PMI scopre prima la luce di scarico, iniziando la fase di scarico, poi apre le luci di lavaggio e inizia ad entrare miscela fresca nel cilindro. Il problema è che la fasatura è regolata dal movimento del pistone, che scopre i condotti nel cilindro, quindi nella fase di risalita viene chiusa prima la luce di aspirazione, poi quella di scarico. C'è quindi un periodo in cui il pistone sta salendo, all'interno del cilindro è contenuta miscela fresca e la luce di scarico è aperta. Questo è un fatto estremamente negativo (anche se può essere sfruttato a nostro vantaggio come vedremo più avanti), perchè porta a dell'uscita di miscela fresca dallo scarico, che ha vari svantaggi. Prima di tutto, viene buttata via della benzina attraverso lo scarico, causando un aumento del consumo e delle emissioni allo scarico, inoltre questa non viene utilizzata per produrre potenza. Poi, viene buttata della miscela che ha richiesto del lavoro per essere passata attraverso il motore, quindi si ha un calo del rendimento. Si può però sfruttare questa caratteristica:

Marmitta ad espansione


Nei due tempi è tipica la marmitta ad espansione, lo scarico cioè non è formato da semplice tubo, ma da un cono divergente-convergente.

Marmitta ad espansione


Il principio di funzionamento di questo scarico è semplice, ed è grazie a questo che il due tempi ha potuto raggiungere le potenze strabilianti che gli hanno permesso di surclassare in ambito sportivo i motori a quattro tempi (a titolo di esempio, la aprilia RSA 125 del motomondiale 2007 è riuscita a raggiungere i 54,5 cavalli a 13000 giri/min).
Appena il pistone scopre la luce di scarico, i gas vengono aiutati nell'espulsione grazie alla forma divergente del primo tratto dell'espansione, che crea una forte depressione. Appena si aprono le luci di travaso, questa forte depressione concorre a far entrare velocemente la miscela fresca e apre in maniera rapida la valvola a lamelle. Lo scarico è progettato in modo tale che questa depressione continua finchè si chiudono le luci di travaso. I gas esausti, infatti, proseguono lungo lo scarico fino ad arrivare al condotto divergente, dove rimbalzano e tornano indietro sotto forma di onda di pressione. Se l'espansione è progettata bene, nell'istante in cui si chiudono le luci di travaso questa onda di pressione ritorna al cilindro, mettendo in pressione la miscela contenuta all'interno e respingendo nuovamente all'interno del cilindro eventuale miscela fresca fuoriuscita. Da un punto di vista fluidodinamico, dunque, funziona come una specie di turbo, che mette in pressione la miscela contenuta nel cilindro, inoltre limita gli sprechi di miscela migliorando rendimento ed emissioni allo scarico. Naturalmente, c'è il rovescio della medaglia. Il motore a due tempi infatti è un motore che funziona solo grazie alle leggi della fluidodinamica, come abbiamo appena visto è tutto un gioco di onde di pressione-depressione. Data una certa geometria dei condotti, il rendimento ottimale si può avere solo in un ristretto campo di funzionamento, mentre negli altri regimi il motore risulterà "vuoto". Anche per questo problema, sono state studiate varie soluzioni.

Valvole allo scarico e condotti risonanti


L'idea è quella di riuscire a creare almeno due risonanze allo scarico, una ai bassi regimi ed una agli alti regimi. La marmitta ad espansione quindi viene progettata per il regime di potenza massima che si vuole ottenere (in un altro articolo, vedremo anche come va progettata), e poi si creano dei sistemi che la allungano (sia fisicamente, sia fluidodinamicamente) in modo da accordarla anche ad un regime inferiore.
Inizialmente, si utilizzavano dei condotti posti in parallelo allo luce di scarico, chiamati risuonatori proprio perchè erano accordati ad una determinata frequenza (sempre inferiore a quella di potenza massima alla quale è accordato lo scarico ad espansione, naturalmente). Quando questo entra in risonanza, è come se restringesse il condotto modificando la velocità delle onde di pressione, di conseguenza il motore acquista coppia ai bassi regimi. Più efficaci invece le valvole di scarico, che possono essere a saracinesca, a flap o cilindrica. Queste vanno fisicamente ad occludere parzialmente il condotto di scarico, diminuendo la durata della fase di scarico, il pistone percorre cioè più strada prima di aprire la luce di scarico. Superato un certo regime, questa valvola si apre, nella maggioranza dei casi funziona solo come aperta/chiusa, ma ci sono stati anche modelli con varie posizioni intermedie.

Valvola allo scarico


Si capisce quindi che il due tempi è un motore totalmente accordato, cioè funziona grazie alle risonanze. Per questo motivo, è anche un motore molto sensibile alla carburazione e più difficile da mettere a punto, è infatti sufficiente una piccola variazione della densità dell'aria (data ad esempio da una temperatura diversa a quella a cui è stato messo a punto, o da una quota diversa) per far andare male un motore che prima andava bene. Con una inziezione elettronica, si potrebbe risolvere questo problema, ma la decadenza di questo motore, data dalle normative anti inquinamento, non ne ha fatto proseguire lo sviluppo. Viene ancora utilizzato nei motorini o applicazioni di piccola potenza, dove si tratta di motori poco prestazionali e quindi anche meno sensibili alle variazioni di carburazione, mentre trova ancora impiego nel campo delle moto da fuoristrada, specialmente enduro. In questo caso, però, il due tempi viene acquistato per la sua maggiore leggerezza, affidabilità e facilità di manutenzione, per cui un sistema a iniezione elettronica viene visto come una inutile complicazione, anche se le normative sempre più stringenti obbligheranno l'utilizzo di questa anche in questo campo. Invece, un grosso miglioramento si può avere con l'iniezione diretta, ma questa presenta dei problemi che ora vedremo.

Motori a due tempi a iniezione diretta


Come abbiamo gia visto, il problema più grosso del motore a due tempi è la luce di scarico che si chiude per ultima, facendo fuoriuscire parte della miscela fresca aumentando l'inquinamento e diminuendo il rendimento del motore. Tramite la marmitta ad espansione, si riesce a limitare questa perdita e ad aumentare le prestazioni, ma un pò di perdita c'è sempre. Con un motore ad iniezione diretta, però si riesce a risolvere questo problema, infatti l'iniettore è posto all'interno della camera di combustione e inietta il combustibile a luci chiuse, quindi non una sola goccia di carburante va sprecata. Questo sistema però presenta dei problemi.
L'iniettore ha un tempo molto breve per iniettare la miscela nel cilindro, meno della metà del tempo che avrebbe se iniettasse nel condotto di aspirazione, inoltre si tratta di un motore a due tempi che ha quindi uno scoppio ogni giro, anzichè ogni due come nel quattro tempi, la frequenza di lavoro sarà allora doppia rispetto al quattro tempi e avrà meno tempo per raffreddarsi. A questo, si aggiunge il fatto che dovrà iniettare benzina mentre il pistone sta comprimendo l'aria, quindi anche la pressione di lavoro dovrà essere più elevata. L'iniettore lavorerà quindi in condizioni critiche, la gestione di questo dal punto di vista meccanico è difficile. Bisogna allora trovare dei sistemi per garantire una buona nebulizzazione del carburante in tempi così brevi, senza però complicare troppo il motore. I sistemi a iniezione si dividono in due categorie:
  1. Sistemi air-assisted: nel cilindro viene iniettata una miscela aria/benzina, lo si fa per ottenere una migliore polverizzazione del carburante, inoltre con questi sistemi la benzina viene ineittata prima in una camera insieme ad aria, e poi il tutto viene iniettato all'interno del cilindro. Si può allora usare un normale iniettore elettronico. Lo svantaggio di questo sistema è una maggiore complicazione meccanica, visto che va utilizzato un compressore.
  2. Sistemi single-fluid: viene iniettato solo combustibile, è il sistema più efficace, ma anche quello che presenta i maggiori problemi dal punto di vista della realizzazione dell'iniettore.
Tra i sistemi air-assisted, troviamo il Piaggio Fast, dotato di un compressore a stantuffo posizionato sulla testa del motore e azionato dall'albero motore da una cinghia. Il livello di complicazione meccanica, come si vede anche dal disegno, è elevato.

Piaggio FAST


Degno di nota il sistema Orbital, che ha realizzato un sistema di iniezione assistita da aria compressa a pressione relativamente bassa, attorno ai 10 bar, denominato "Air Assisted Injection", dove sfrutta la presenza dell'aria compressa per raggiungere una elevata atomizzazione del carburante. Si rende dunque necessaria la presenza di un compressore volumetrico per fornire l'aria compressa, generalmente collegato mediante una camma all'albero motore, mentre la pompa del carburante è una normale pompa che fornisce benzina ad una pressione intorno ai 6-7 bar. Dal punto di vista prestazionale, questo sistema ha dimostrato una riduzione dei consumi del 20% rispetto ai due tempi classici, e una drastica riduzione degli inquinanti allo scarico. Tuttavia, si tratta di un sistema complesso. E' stato utilizzato dalla Aprilia (DI Tech), dalla Piaggio (Pure Jet) e da MERCURY e Tohatsu in campo nautico.

Iniezione diretta Orbital


Per quanto riguarda i sistemi single-fluid, troviamo il FICHT utilizzato dalla EVINRUDE e il Ram Tuned della YAMAHA, entrambi usati in campo nautico. Il sistema FICHT è molto semplice, il combustibile proveniente dalla pompa entra nella camera dell'iniettore, dove è presente un pistone comandato da un solenoide, che ha la funzione di aumentare la pressione del combustibile e spingerlo in camera di combustione. Il sistema è totalmente svincolato dal motore, è comandato elettronicamente e presenta dei tempi di iniezione molto brevi che possono garantire il raggiungimento di regimi di rotazione anche di 10000 giri/minuto.
Il sistema della YAMAHA invece si basa sul concetto del colpo d'ariete, ovvero un onda di pressione che si genera in un fluido, dovuto all'inerzia di questo, se è in moto e viene frenato. Il combustibile viene pescato dal serbatoio, e compie un circuito chiuso per ritornare poi al serbatoio. In questo circuito, è presente una valvola a solenoide che lo strozza, preceduta dal condotto che porta il combustibile all'iniettore, che si apre raggiunta una certa pressione. Quando la valvola a solenoide si chiude, il fluido che era in moto si arresta improvvisamente, aumentando la sua pressione e trovando via di fuga attraverso l'iniettore.

L'iniezione diretta appena vista è nata per cercare di eliminare la perdita di combustibile dallo scarico, ed effettivamente ci riesce rendendo il due tempi simile al quattro tempi per quanto riguarda consumi ed emissioni inquinanti, ma più leggero e potente. Purtroppo, si tratta di iniezioni costose, in certe soluzioni il solo iniettore può costare di più dell'intero motore (è il caso dell'iniezione applicata ai motorini), quindi il suo utilizzo è giustificato in motori costosi e in quei campi dove il due tempi è preferibile al quattro tempi, ovvero in campo nautico e nelle motoslitte. In campo nautico perchè un motore deve essere totalmente affidabile, per evitare il rischio di fermarsi in mezzo al mare, e considerando la massima "quello che non c'è non si rompe" un due tempi ha meno possibilità di rompersi rispetto ad un quattro tempi. Nel caso delle motoslitte, invece, va considerato che sono mezzi che lavorano a temperature estremamente basse, un motore a quattro tempi quando è spento contiene olio al suo interno che si può addensare per via del freddo, un due tempi non ha questo problema.
Esiste anche un altra soluzione per evitare lo spreco di carburante dallo scarico del due tempi, nata prima dell'iniezione diretta e ancora ampiamente utilizzata in ambito navale, ma che porta una notevole complicazione del motore:

Motore a due tempi unidirezionale


Chiamato unidirezionale perchè presenta delle valvole (come quelle del quattro tempi) in testa, che fanno da aspirazione, mentre lo scarico è ricavato ancora da delle luci sul cilindro. Può essere realizzato anche al contrario, ovvero con le luci sul cilindro di aspirazione e lo scarico in testa. Viene definito unidirezionale perchè il flusso attraversa il cilindro lungo il suo asse. Il lavaggio viene generalmente effettuato tramite delle pompe di lavaggio, ovvero dei compressori volumetrici, ma può anche essere usato un carter-pompa come nel due tempi classico. Generalmente comunque i due tempi unidirezionali sono tutti a pompa di lavaggio esterna, in questo modo si ha un lavaggio più efficiente (la pompa di lavaggio può essere progettata a parte ed accoppiata perfettamente al motore) e inoltre il carter può contenere olio, in modo da avere una lubrificazione come nel quattro tempi, e non c'è perdita di olio attraverso lo scarico. Grosso vantaggio di questo motore è la possibilità di comandare la fasatura di scarico, posso cioè chiudere lo scarico quando l'aspirazione è ancora aperta, limitando (o annullando del tutto) la perdita di miscela fresca e operando una sovralimentazione del motore.
Un motore a due tempi di questo tipo è molto efficiente, ma viene perso il principale vantaggio del due tempi tradizionale, ovvero la semplicità costruttiva. E' una soluzione utilizzata in campo navale, dove grossi motori diesel a due tempi a lavaggio unidirezionale raggiungono rendimenti del 50% (quando un normale motore automobilistico ha un rendimento del 25% circa).