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Mattia Piron

Ingegnere Meccanico, proveniente da una famiglia di motociclisti, appassionato di moto e motori fin da bambino.

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Miscellanea

Motore a Due Tempi

May 31th, 2018

Descrizione

Si tratta di un motore a combustione interna in cui l'intero ciclo (aspirazione - compressione - espansione - scarico) viene concluso in un giro dell'albero motore.

Un motore a due tempi è composto da:

1. Parti in movimento: albero motore, biella e pistone. Sebbene abbiano la stessa funzione degli stessi componenti dei motori a quattro tempi, la loro forma è leggermente diversa per via del diverso tipo di utilizzo. Il manovellismo è formato da due dischi, l'equilibratura viene eseguita praticando due fori di diametro e posizione opportuna accanto al bottone di biella. Questi due fori vengono successivamente riempiti con un materiale più leggero, tipicamente alluminio. Così facendo il manovellismo occupa più volume possibile, aiutando a ridurre il volume libero all'interno del carter e intensificando così gli effetti di pressione - depressione.

Il pistone ha una forma più allungata rispetto a quelli dei motori a quattro tempi, perché deve anche controllare l'apertura/chiusura delle luci sul cilindro. Inoltre non sono presenti le fasce raschiaolio, e la superficie superiore è liscia o leggermente bombata. La biella di un motore a due tempi è solitamente più leggera rispetto a quella di un motore a quattro tempi. Deve sopportare sollecitazioni inferiori, per motivi che verranno discussi in dettaglio successivamente;

2. Parti fisse: carter motore, cilindro e testata. Il carter motore ha la funzione di contenere l'albero motore. Inoltre, funziona da camera per la prima fase di aspirazione. Il cilindro è il componente su cui scorre il pistone. Inoltre presenta le luci di aspirazione e scarico, permettendo il passaggio di miscela fresca e gas combusti. La testata chiude il cilindro, fa da supporto alla candela di accensione ed è sagomata per permettere una combustione ottimale della miscela;

3. Sistema di alimentazione e sistema di scarico. Il sistema di alimentazione comprende cassa filtro, filtro, carburatore (oppure valvola farfallata/iniettore) e valvola di immissione. Questa può essere semplicemente una luce aperta e chiusa dal moto del pistone, una valvola a lamelle unidirezionale, oppure un disco rotante. Verranno discussi nel dettaglio in seguito. Il sistema di scarico, idealmente realizzato con la classica forma ad espansione, per aumentare il rendimento del motore.

Principio di funzionamento

Principali componenti del motore a due tempi

I quattro cicli di un motore a combustione interna (aspirazione, compressione, espansione, scarico) vengono completati in un solo giro dell'albero motore, ovvero in due tempi. Per questo motivo essi sono sovrapposti, e non c'è una distinzione netta come avviene invece nel quattro tempi.

Il pistone sale verso il punto morto superiore (PMS), creando una depressione all'interno del carter motore. Al momento opportuno, si apre la valvola di immissione (ovvero il pistone o il disco rotante scoprono la luce di immissione, oppure la depressione nel carter motore unita alle onde di scarico aprono la valvola a lamelle) e la miscela fresca riempie il carter motore.

Nei motori a due tempi la miscela fresca è tipicamente composta da aria/benzina e olio. Questo perché il carter motore assolve la funzione di "polmone", deve contenere la miscela che poi verrà bruciata. In questa miscela deve quindi essere presente olio nebulizzato, che andrà a lubrificare i cuscinetti di banco, di biella e il cilindro.

Raggiunto il PMS (o meglio, con un leggero anticipo) scocca la scintilla della candela, la miscela aria/combustibile si incendia e spinge il pistone verso il punto morto inferiore (PMI). Durante questa fase il pistone chiude la luce di aspirazione e comprime la miscela contenuta nel carter. Continuando la sua discesa scopre la luce di scarico, i gas combusti della fase precedente iniziano ad uscire, aiutati dalla forma a megafono della prima parte dello scarico. Qualche grado di rotazione dopo, si scoprono le luci di travaso, ovvero quelle che collegano il carter (ancora pieno di miscela fresca) con il cilindro. Grazie quindi alla pressione presente all'interno del carter motore, e alla depressione presente nel cilindro dovuta all'uscita dei gas di scarico, la miscela fresca entra nel cilindro, aiutando tra l'altro l'uscita dei gas combusti. A causa della sua inerzia, la miscela fresca continua ad entrare nel cilindro anche mentre il pistone inizia la sua corsa verso il PMS, fino a che le luci di travaso non vengono chiuse nuovamente.

Il cilindro è pieno di miscela fresca, il pistone sta salendo verso il PMS ma la luce di scarico è ancora aperta, permettendo a una parte di miscela fresca di fuoriuscire. Prima che la luce di scarico venga chiusa dal tutto, la miscela fresca fuoriuscita torna nel cilindro, grazie all'onda di pressione generata dal cono convergente dell'impianto di scarico. Al termine della sua corsa, il pistone ha compresso tutta la miscela che viene bruciata grazie alla scintilla della candela, dando inizio a un nuovo ciclo.

Aspirazione

L'immissione di miscela fresca nel carter può essere comandata essenzialmente da 3 tipologie di valvole:

  1. Luce comandata dal pistone
  2. Valvola a lamelle
  3. Disco rotante

Luce comandata dal pistone: è la più semplice e la più utilizzata in motori a basso costo, quali motori per attrezzi da lavoro (motoseghe, decespugliatori...) o ciclomotori. Si tratta del condotto chiamato "intake port" nell'immagine sopra. Nonostante questo sistema sia affidabile (non c'è nessuna parte in movimento) e facile da realizzare, presenta alcuni svantaggi:

  1. Poca libertà progettuale per quanto riguarda la durata della fase di aspirazione;
  2. Fase di aspirazione simmetrica prima e dopo del PMS;

Si vorrebbe ricercare una fasatura di aspirazione ampia, per anticipare l'ingresso della miscela fresca. Con questo tipo di immissione, tuttavia, la luce di aspirazione rimarrà aperta per un tempo eccessivamente lungo anche ad aspirazione terminata, facendo fuoriuscire della miscela fresca. Per questo motivo, si riduce la durata della fase di aspirazione, ma si riduce anche l'anticipo di apertura della luce, ritardando l'ingresso della miscela e riducendo la potenza.

Per ridurre (ma non annullare) questo problema, il condotto di aspirazione può essere sagomato in maniera tale da permettere il flusso di aria in una sola direzione, creando turbolenze nell'altra direzione per rallentare la fuoriuscita della miscela. Si tratta comunque di una lavorazione che andrebbe a vanificare l'economicità di questo sistema, per cui viene utilizzata prevalentemente come elaborazione.

Valvola a lamelle:Costruttivamente simile alla valvola precedente, in questo caso il condotto è più ampio ed è interrotto da una valvola unidirezionale.

Non è possibile modificare un motore nato con aspirazione comandata dal pistone aggiungendo una valvola unidirezionale. Infatti, questa soluzione andrebbe ad ostruire il condotto di aspirazione. Inoltre, la valvola richiede una certa energia per essere aperta, che richiede del tempo, ritardando l'immissione di miscela.

Per questo motivo, questa valvola a lamelle viene posizionata di fronte alla luce di scarico, e presenta un condotto principale che porta la miscela all'interno del carter, e un secondo condotto, di sezione minore, che sfocia all'interno del cilindro di fronte alla luce di scarico. L'onda di depressione generata dalla fase di scarico attraversa questo secondo condotto, aprendo in anticipo la valvola a lamelle.

Per la sua semplicità ed efficacia, si tratta della valvola di aspirazione più utilizzata, sia in motori stradali che sportivi.

Ad alti regimi tali valvole presentano il fenomeno della risonanza, non riescono a chiudersi completamente e il motore perde potenza, in gergo "mura". Aumentando lo spessore delle lamelle, la frequenza di risonanza si alza e questo fenomeno si presenta ad un regime più elevato. Lamelle più spesse quindi garantiscono un funzionamento migliore ad alti regimi, ma richiedono più energia per essere aperte, il che porta ad una perdita di potenza a bassi regimi.

Disco rotante:Si tratta della soluzione più raffinata. Il condotto di aspirazione è un "foro" nel carter, che viene chiuso da un disco (generalmente calettato sull'albero motore) con un apertura, per aprire e chiudere il condotto a intervalli predefiniti.

Questo permette libertà massima per quanto riguarda la fasatura di aspirazione, che può essere asimmetrica. La durata della fase di aspirazione può essere decisa in base all'utilizzo prevalente del motore, ovvero se necessita di potenza ad alti regimi oppure di coppia a bassi regimi, quindi il disco rotante funziona bene tanto per motori "da coppia" quanto per motori "da potenza". Non è presente il problema della risonanza come nelle lamelle, quindi non ci sono limiti alla rotazione massima (se non quelli fisici dovuti alla resistenza dei materiali). Per questo motivo un motore a disco rotante ha generalmente un buon allungo, ovvero la perdita di potenza dopo il regime massimo non è repentina come nel caso precedente.

Ci sono anche alcuni svantaggi: non essendo presenti valvole unidirezionali, parte della miscela può comunque fuoriuscire come accadeva con la luce comandata dal pistone. Inoltre, il disco viene solitamente calettato sull'albero, per cui l'aspirazione si trova a 90° rispetto allo scarico, portando ad un diverso riempimento del carter ai due lati.

In alcuni motori la valvola viene collegata all'albero mediante cinghia o coppia conica, per poter essere posizionata posteriormente al cilindro garantendo un riempimento ottimale. Chiaramente questa soluzione è più complicata dal punto di vista meccanico.

Sistema di scarico

Il tubo di scarico per motori a due tempi è composto da:

1. Collettore, può essere a sezione costante o leggermente conica (2-3°). Per ottenere la massima potenza, la sua sezione dovrà essere il 10-15% superiore rispetto alla sezione della luce di scarico, mentre la lunghezza dovrà essere pari a 6-8 volte il diametro. Se si desidera un più ampio campo di utilizzo, sacrificando in parte la potenza, la sezione può arrivare ad essere 1.5 volte quella della luce di scarico, e la lunghezza 11 volte il diametro.

2. Cono divergente, crea un onda di depressione aiutando lo svuotamento del cilindro. Ha la funzione principale di intensificare ed allungare la durata dell'onda di pressione di ritorno. Aumentando la conicità di questa zona, si aumenta l'intensità dell'onda di pressione ma si riduce la sua durata. Si ottiene cioè più potenza, ma in un ristretto range di utilizzo. L'area di uscita del cono dovrà essere pari a 6.25 volte l'area d'ingresso, mentre l'angolazione sarà pari a 7-10 gradi (rispetto all'asse).

3. Tratto cilindrico, collega cono convergente e cono divergente. La sua lunghezza determina il timing tra l'onda di depressione e quella di pressione: più è corto questo tratto, più vicine saranno le due onde, riducendo il campo di utilizzo e relegandolo ai regimi più elevati.

4. Cono convergente, riflette l'onda di pressione forzando la miscela fuoriuscita dallo scarico a tornare all'interno del cilindro, e operando una vera e propria sovralimentazione. Maggiore è la conicità di questo tratto, e più intensa sarà l'onda di pressione. Inoltre, la conicità influenzerà la forma della curva di potenza in allungo, oltre il raggiungimento della potenza massima. La conicità è doppia rispetto a quella del cono divergente, ovvero 14-20° (rispetto all'asse).

5. Spillo (tubetto) di uscita. L'onda di depressione generata all'interno dello scarico dipende dalla sezione e dalla lunghezza dello spillo. Più è stretto e lungo, più intensa sarà l'onda; non dovrà però essere troppo stretto. L'area di passaggio sarà 0.58 - 0.62 volte quella del collettore, mentre la lunghezza sarà pari a 12 volte il diametro. Nel dubbio, meglio utilizzare un diametro maggiore.

Marmitta ad espansione

Schema di marmitta ad espansione

Resta da calcolare la lunghezza del condotto di scarico dalla faccia del pistone, fino al punto in cui l'onda si rifletterà per tornare indietro. La luce di scarico rimarrà aperta per un certo periodo di tempo, durante il quale un onda (che viaggia alla velocità del suono) deve percorrere la lunghezza del tubo e tornare indietro. La lunghezza del tubo di scarico sarà data dal periodo di tempo in cui lo scarico rimane aperto, moltiplicato per la velocità dell'onda e diviso per due.

Lt = 0.5*(fasatura*c)/N

Dove la fasatura è la durata totale della fase di scarico, in radianti, c è la velocità del suono in m/s e N il numero di giri in rad/s.

La velocità del suono varia al variare della temperatura secondo la relazione (semplificata):

c = 331.45 + 0.62*T

Con T in °C. le temperature tipiche sono attorno ai 500-600°C. Più nel dettaglio, per moto da GP siamo attorno ai 650 °C, cross 600 °C, enduro 500 °C, stradale 350 °C. Nel caso di uno scarico stradale, quindi, la velocità del suono sarà di circa 550 m/s.

Volendo utilizzare unità di misura più consone (fasatura in gradi, velocità del suono in m/s, numero di giri in RPM, lunghezza in mm), la formula diventa:

Lt = 83.33*(fasatura*c)/N

Si è così calcolata la lunghezza dalla faccia del pistone fino alla metà del cono convergente. È possibile dimensionare la restante parte dell'espansione, decidendo lunghezze e angolazioni in maniera tale da ottenere uno scarico "da coppia" oppure uno "da potenza".

Nel caso in cui si voglia la massima potenza, il regime di utilizzo sarà molto ristretto. Sono state pensate svariate soluzioni per ampliare la curva di risposta del motore, ne verranno descritte solo alcune:

  1. Ugello de Laval: può essere installato nella parte iniziale dello spillo del condotto di scarico, e grazie ad esso è possibile estendere l'arco di funzionamento.
  2. Iniezione d'acqua: iniettando acqua all'interno dell'espansione, si raffreddano i gas di scarico rallentando le onde sonore.
  3. Risuonatore: Condotto (o camera) chiuso ad una estremità, montato sul collettore di scarico e parallelo ad esso. Genera delle risonanze che a determinati regimi rallentano le onde sonore.
  4. Freno aerodinamico: rondella interposta tra cono convergente e spillo, strozza il condotto aumentando la temperatura dei gas e modificando la risposta dell'espansione. Sono solitamente intercambiabili, per modificare il comportamento in base alle condizioni.
  5. Valvola di scarico: Valvola meccanica che modifica la fasatura di scarico in base al regime di rotazione, modificando di conseguenza l'accordatura del motore.

Motori a due tempi a iniezione diretta

Il carburante in questo caso viene iniettato direttamente all'interno della camera di combustione, a luci chiuse. Si previene così qualunque possibilità di fuoriuscita di gas incombusti, aumentando il rendimento del motore e riducendo gli incombusti allo scarico, riducendo le emissioni inquinanti.

Nonostante in teoria siano presenti solo vantaggi, in realtà bisogna tenere conto di alcuni problemi:

  1. L'iniettore ha a disposizione un tempo estremamente breve per l'iniezione del carburante, meno della metà di quello che avrebbe nel caso di un iniezione indiretta;
  2. Considerato che l'utilizzo sarebbe in un motore a due tempi, l'iniettore dovrà lavorare ad una frequenza doppia rispetto allo stesso in un quattro tempi, più difficile da realizzare. Inoltre, avrà anche meno tempo per raffreddarsi tra uno scoppio e l'altro;
  3. Dovrà iniettare benzina mentre il pistone sta comprimendo la miscela, quindi si tratta di un iniettore che dovrà lavorare a pressioni molto alte.

I sistemi di iniezione si dividono in due categorie:

1. Sistemi air-assisted: nel cilindro viene iniettata una miscela aria/benzina. In questo modo si ottiene una migliore polverizzazione del carburante, inoltre è possibile utilizzare un normale iniettore che inietta benzina all'interno del cilindro di un compressore, che a sua volta inietterà questa miscela aria/benzina all'interno del cilindro. Tale sistema presenta una elevata complessità meccanica; viene adottato dalla Piaggio (Piaggio Fast) e dalla Orbital (Utlizzato su Aprilia DI Tech, Piaggio Pure Jet e in campo nautico da MERCURY e Tohatsu).

2. Sistemi single-fluid: viene iniettato solo combustibile. Si tratta del sistema più efficace, ma anche quello che presenta i maggiori problemi dal punto di vista della realizzazione dell'iniettore. Sistemi di questo tipo vengono adottati da EVINRUDE (FICHT) e da YAMAHA (Ram Tuned).

Motore a due tempi unidirezionale

Si tratta di un ulteriore step volto al miglioramento del rendimento dei motori a due tempi. In questo caso, nel cilindro sono praticate le sole luci di aspirazione, lo scarico viene comandato da una o più valvole in testa del tutto simili a quelle utilizzate nei motori a 4 tempi, e il lavaggio avviene tramite compressore volumetrico.

Grazie a questo, è possibile comandare a piacimento la fasatura di scarico, e il lavaggio può essere effettuato in modo più efficiente. Il rendimento è altissimo: vengono realizzati, con questo ciclo, motori diesel lenti navali, aventi un rendimento del 50% circa.

Inoltre, il carter non comunica con l'interno del cilindro, non c'è combustione di olio lubrificante, a tutto vantaggio delle emissioni inquinanti. Questi vantaggi si hanno a prezzo di una elevata complessità meccanica, pari a quella di un quattro tempi sovralimentato.

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