Motori 2 tempi

Il motore a due tempi è un tipo di motore a combustione interna, il quale viene alimentato da un impianto d'alimentazione e scarica i prodotti esauriti (gas di scarico) tramite un impianto di scarico.

Introduzione 

Questo motore si differenzia dal più diffuso motore a quattro tempi principalmente per la differente alternanza delle fasi attive in relazione ai giri dell'albero motore: infatti se nel quattro tempi si ha una fase attiva per ogni due giri dell'albero, nel due tempi si ha una fase attiva (ovvero la fase in cui avviene la trasformazione effettiva dell'energia chimica in termica e dunque cinetica, detta anche espansione) per ogni giro completo dell'albero.

Caratteristiche 

Strutturalmente, il motore a due tempi, di norma, non presenta le classiche valvole d'aspirazione e scarico, sostituite dalle "luci", ovvero fenditure non circolari ricavate direttamente sul cilindro, aperte e chiuse dal moto alternato del pistone.

Una caratteristica che distingue il motore a due tempi (a parte i modelli con ammissione a disco rotante e non considerando le esigenze dell'impianto elettrico di accensione) dal quattro tempi è quella di poter funzionare perfettamente in entrambi i sensi di rotazione. Questo è permesso dal fatto che le luci di scarico/travaso vengono aperte e chiuse dal pistone in maniera speculare rispetto al punto morto inferiore, dove la luce di scarico è la prima ad aprire e l'ultima a chiudere. Al contrario, nel 4 tempi la simmetricità non c'è perché deve essere aperta una soltanto delle due valvole (salvo il breve periodo dell'incrocio, in cui sono aperte entrambe), e tassativamente in modo asimmetrico rispetto al punto morto inferiore.

Un'altra caratteristica che distingue il motore a due tempi dal motore a quattro tempi è la "pompa di lavaggio" che permette l'immissione tramite una compressione dei gas, generalmente questa pompa è costituita dal carter pompa, dalla superficie interna del pistone e da un sistema di ammissione dei gas freschi, mentre in altri casi (motori diesel 2T a lavaggio unidirezionale) la pompa di lavaggio è invece una vera e propria pompa volumetrica, azionata solitamente dall'albero motore, mentre in alcuni casi si hanno dei turbocompressori, azionati dai gas di scarico, che aiutano il lavoro della suddetta pompa, non essendo possibile sostituirla completamente.

Valvole d'aspirazione

Motore di un modellino con immissione a manicotto rotante

Sono presenti solo nei motori con carter-pompa e l'ammissione dei gas freschi può avvenire attraverso quattro differenti dispositivi/modi:

• Piston port, questo tipo di comando avviene tramite l'apertura e chiusura da parte del pistone di una luce sul cilindro.
  Questo tipo d'aspirazione nel carter viene accompagnato dai travasi che vengono a loro volta governati dal pistone.
• Hiro Induction System, questo tipo di comando avviene tramite un sistema misto "Piston port" e "Valvola lamellare"
• Valvola a disco rotante o a manicotto rotante, questo tipo di comando avviene tramite l'apertura e chiusura da parte di un disco fenestrato o da parte dell'albero motore, di una luce sul carter motore, più raramente sul cilindro.
• Valvola lamellare, questo tipo di comando avviene tramite l'apertura e chiusura da parte di una o più lamelle poste su un supporto, che permettono il passaggio del flusso di miscela fresca tramite il cilindro o il carter motore.
  Questo tipo d'aspirazione nel carter viene accompagnato dai travasi che vengono a loro volta governati dal pistone.

Valvole di lavaggio 

Per il lavaggio, quindi sostituzione dei gas combusti con l'introduzione dei gas freschi si può avere:

• Luce, questo tipo di comando avviene con lo scorrimento del pistone che apre e chiude un condotto, che mette in comunicazione la pompa di lavaggio con il cilindro.
• Valvola a fungo, questo tipo di comando avviene tramite l'apertura e chiusura da parte di una valvola a fungo, del tutto simile a quella di un motore a quattro tempi, permettendo l'immissione della carica fresca direttamente nel cilindro, questo tipo di comando viene utilizzato per i motori Diesel a due tempi unidirezionali.
• Valvola a fodero, valvola che apre o chiude un condotto, esattamente come nel sistema a luci, ma permette di poter avere valori d'apertura e chiusura asimmetrici

Lubrificazione

Altra differenza dal motore a quattro tempi riguarda la lubrificazione interna:

• A perdere: il lubrificante viene trasportato dalla benzina su tutte le parti del motore
  • Miscelata: il lubrificante è aggiunto direttamente alla benzina, operazione che può essere manuale e quindi con l'aggiunta diretta dell'olio da parte del pilota il quale crea la miscela olio&benzina.
  • Separata: tramite il miscelatore, che può immettere l'olio o tramite il venturi del carburatore o tramite il collettore che collega il carburatore al cilindro o carter pompa; inoltre su questi modelli è presente unaspia dell'olio per evitare che il serbatoio dell'olio si esaurisca.
• A bagno (Come nel 4T): per la maggior parte dei motori a ciclo unidirezionale, la lubrificazione è esattamente come in un normalissimo motore a 4T e può essere a carter umido o carter secco.

Funzionamento/fasi del ciclo

Diagramma della Distribuzione di un motore 2T
1=PMS
2=PMI
A: Lavaggio
B: Scarico
C: Compressione
D: Espansione

Diagramma della Distribuzione di un motore 2T unidirezionale
1=PMS
2=PMI
A: Lavaggio
B: Scarico
C: Compressione
D: Espansione

Il ciclo termodinamico del motore a due tempi, come noto, si sviluppa completamente in un'unica rotazione dell'albero motore, ma la successione completa delle varie fasi che interessano il fluido motore avviene nell'arco di 2 rotazioni, questo avviene perché il pistone svolge una doppia funzione, come meglio spiegato qui di seguito.

Aspirazione 

Il pistone, in salita verso il PMS (Punto Morto Superiore), crea una depressione nel carter pompa, e contemporaneamente apre la luce di aspirazione. Nel caso delpiston port questa apertura avviene con fasatura simmetrica rispetto al punto morto superiore, con ovvii svantaggi, mentre nel caso della valvola rotante l'apertura ha una fasatura fissa, ma ottimizzata per il miglior rendimento in un certo campo di regimi di rotazione. È invece la depressione presente nel carter a provocare l'apertura automatica della valvola lamellare, con fasatura variabile. La depressione (0.2-0.4 bar) richiama la miscela (aria/benzina) fresca dalla luce di aspirazione immettendola nel carter pompa, che la porterà nel cilindro attraverso le luci di travaso nella fase successiva.

Pre-compressione e Lavaggio 

Durante la discesa del pistone verso il PMI (Punto Morto Inferiore) avviene la compressione della miscela nel carter pompa, con un rapporto di compressione compreso tra 1,20:1 e 1,45:1. Nel momento in cui si aprono le luci di travaso, esaurita l'eventuale sovrappressione residua della fase di scarico, la miscela fresca aria-benzina entra nel cilindro anche grazie alla depressione generata dalla parte iniziale dell'impianto di scarico aiuta il travaso dei gas freschi, durante questa fase parte di questa miscela esce anche dalla luce di scarico, mista a gas combusti.

Compressione 

Il pistone, risalendo dal Punto morto inferiore, occlude dapprima le luci di travaso, poi quelle di scarico. Fra queste due fasi può avvenire una prima compressione a causa dell'onda di pressione riflessa dal controcono dell'impianto di scarico, se questo è del tipo risonante (detto anche "ad espansione" per via della notevole variazione di sezione). In questo caso, una parte della miscela fresca rientra nel cilindro, anche se la quantità intrappolata nel cilindro è inferiore alla cilindrata, perché comunque sia è sempre presente una frazione di gas combusti.

Nella parte finale della compressione la carica fresca viene movimentata dall'anello di squish, se presente, generando una forte vorticosità che consente una combustione migliore ed un aumento del rendimento termodinamico.

Accensione ed Espansione 

L'accensione, avviata da una candela, avviene con anticipi nettamente inferiori a quelli tipici del 4 tempi, nel caso del Motore ad accensione comandata, grazie alla forma più razionale della testa permessa dall'assenza delle valvole a fungo. L'eventuale presenza dell'area di squish consente di utilizzare rapporti di compressione molto elevati senza incorrere in fenomeni deleteri, come la detonazione, inoltre nel 2 tempi è possibile utilizzare un impianto di accensione ad anticipo costante senza una eccessiva perdita di rendimento.

Dopo il PMS (punto morto superiore) inizia l'espansione, che di fatto si interrompe al momento dell'apertura della luce di scarico, per via del brusco calo di pressione, questo fatto comunque sia non determina una perdita notevole di rendimento rispetto ad un motore a 4 tempi di pari cilindrata, visto che il motore a quattro tempi richiede un'apertura anticipata delle valvole di scarico, pressoché paragonabile al due tempi. Con il passare degli anni la luce di scarico dei due tempi si è via via ridotta, a favore di una sua estensione nel senso trasversale, in modo da guadagnare corsa utile e avere un rendimento sempre maggiore, del tutto paragonabile a quello dei quattro tempi.

Scarico

In fase di discesa il pistone scopre la luce di scarico. L'espulsione dei gas combusti avviene per semplice differenza di pressione, e non per l'azione di pompaggio del pistone come nel 4 tempi. Lo scarico risuonante, se presente, rende più veloce questa fase, grazie alla depressione sviluppata dal primo tratto dello stesso, permettendo di ridurre l'altezza delle luci di scarico e aumentare il rendimento.

In alcuni casi (motori con aspirazione lamellare e condotto che collega direttamente il vano della valvola ai condotti di lavaggio) questa depressione può addirittura influire sul "rapporto di lavaggio", ovvero aumentare la quantità di gas freschi che entrano nel cilindro.

Tipologia di Lavaggio/funzionamento [modifica]

Il lavaggio (o travaso) del cilindro con i gas freschi, nei motori a due tempi, avviene secondo varie scuole di pensiero:

Flussi incrociati 

Motore a due tempi a flussi incrociati

Questo tipo di motore (CrossFlow in inglese) ha due luci, una di scarico e una di travaso, poste ai lati opposti del cilindro, con il pistone munito di deflettore, per evitare che i due flussi (gas di scarico e miscela fresca) si mescolino, quindi la carica fresca va verso la testa grazie alla forma del deflettore, mentre i gas combusti escono.

Questo è stato uno dei primi sistemi di lavaggio utilizzati nella produzione, ma ha avuto vita breve per via delle complicazioni indotte dal deflettore, che aumenta il peso del pistone, aumenta la superficie esposta alla combustione e rende difficile disegnare una camera di combustione ottimale.

Correnti tangenziali 

In questo tipo di lavaggio (Loop-scavenged in inglese), si studiano le varie posizioni e direzioni delle luci e condotti di lavaggio per avere un risultato ottimale ed eliminare la necessità del deflettore. In pratica queste luci sono disposte in direzione opposta alla luce di scarico, imponendo perciò alla miscela fresca di salire verso la testa, invertire la direzione e raggiungere lo scarico soltanto dopo aver effettuato questa "giravolta", da cui il nome inglese. Spesso viene denominato lavaggio "Schnürle" dal nome dell'ingegnere tedesco, Adolf Schnürle, che lo inventò nel 1925. Inizialmente pensato per i motori diesel della KHD, venne ceduto in licenza esclusiva alla DKW. Il sistema di lavaggio a correnti tangenziali si è ampiamente diffuso dapprima in Germania e dopo la seconda guerra mondiale, nel resto del mondo. Attualmente è il tipo di lavaggio più utilizzato nei motori moderni ad accensione comandata, mentre non è più utilizzato sui motori ad accensione spontanea, sostituito dal ciclo unidirezionale.

Strutture particolari 

Il motore a ciclo loop è stato proposto in alcune particolari e controverse configurazioni, che più o meno si discostano come struttura da un motore classico.

Motore Bourke 

Questo tipo di motore riprende in parte i vantaggi del motore con pistoni a doppio diametro, ma il pistone ha una forma tradizionale.
La sua peculiarità è di avere al posto delle bielle delle aste, che vengono azionate direttamente dall'albero motore secondo uno schema insolito ad aste, dove ogni asta è dotata di un sistema di tenuta che isola la camera in cui si muove il pistone dal carter, quindi la "pompa di lavaggio", in questo caso, è costituita dalla parte inferiore del pistone, dal cilindro e dall'asta e relativa tenuta. Il rapporto di pre-compressione è più alto, rispetto al sistema con carter pompa, ma il "rapporto di lavaggio" (rapporto fra volume di gas freschi immessi nel cilindro e volume del cilindro) sarà più basso a causa della minore cilindrata della pompa rispetto alla camera superiore, in quanto alla cilindrata occorre sottrarre il diametro dell'asta di comando del pistone moltiplicato per la corsa. C'è il vantaggio di avere l'imbiellaggio ben lubrificato, dato che è isolato dalla camera-pompa di lavaggio, ma è anche vero che questo sistema non consente regimi di rotazione molto elevati, visti i pesi notevoli delle parti in moto alterno e della complessità del sistema di azionamento delle aste.
L'ammissione della carica fresca alla camera-pompa può essere regolata da uno qualsiasi dei sistemi già visti, invece per quanto riguarda l'immissione della carica fresca nel cilindro, si può seguire sia lo schema a flussi incrociati che il loop.

Lavaggio unidirezionale 

Classico esempio di un moderno motore unidirezionale

Questo tipo di lavaggio (Uniflow-scavenged in inglese) è utilizzato principalmente sui motori Diesel due tempi, ma può essere utilizzato anche per motori ad accensione comandata. Nel caso di un motore con una struttura classica (generalmente nella configurazione diesel), l'immissione della carica fresca non avviene tramite i travasi, ma tramite una o più valvole a fungo e l'iniettore posti sulla testata del motore, mentre l'espulsione dei gas combusti avviene sempre tramite le luci di scarico poste nella parte bassa del cilindro, ma questa tipologia di motore esiste anche in una configurazione inversa.
Il nome è dato dal fatto che il flusso dei gas freschi va dalla testa del motore alla luce di scarico quasi in linea retta, limitando così la possibilità di miscelazione con i gas combusti, inoltre ha come secondo vantaggio la possibilità d'utilizzare un carter a bagno d'olio o a secco, dove l'olio non è a contatto con il carburante, un motore di questo tipo è il 2T Diesel navale Wärtsilä-Sulzer RTA96-C della Wärtsilä, che ha un rendimento superiore al 0,5 o 50% (risultando uno tra i migliori).

Una variante di questo tipologia di motore (poco usata) si utilizza il carter come pompa di lavaggio, quindi si hanno le normali luci di travaso e carter pompa e dove lo scarico avviene tramite una o più valvola/e a fungo posta/e sulla testata, questa configurazione perde il vantaggio della lubrificazione, dato che in questo caso l'olio deve essere miscelato con il carburante.

motore a 2 tempi a stantuffi contrapposti

Un altro tipico caso di lavaggio unidirezionale si ha nel motore a 2 tempi a stantuffi contrapposti ideato da DKW (generalmente nella configurazionead accensione comandata), dove i due alberi motore sono sfasati opportunamente, in modo da iniziare a scaricare prima che si aprano le luci di lavaggio e da chiudere i travasi per ultimi, in questo modo la "pompa di lavaggio" può attuare una reale sovralimentazione.

motore a 2 tempi a cilindri paralleli

Un'altra struttura di questo ciclo è il motore a due tempi a cilindri paralleli, ideato da Garelli-Marcellino-Isomoto, dove si avevano due cilindri paralleli formati d un unico elemento, una testa che metteva in comunicazione i due cilindri e formata anch'essa in un unico pezzo, dove un cilindro aveva la luce di scarico e l'altro permetteva l'ingresso di carica fresca al carter-pompa ed era munito di almeno un travaso, inoltre i pistoni erano vincolati all'albero motore tramite una sola biella a "Y".^[4]
Questa disposizione permetteva d'avere i due pistoni leggermente sfasati tra loro, permettendo d'avere un'apertura anticipata della luce di scarico rispetto alla luce del/i travaso/i e una chiusura posticipata di questi rispetto alla luce di scarico, senza il problema della sfasatura dei due alberi motore, che porta a una perdita di rendimento termico, dato che il tutto veniva gestito da un solo albero motore.

Il motore a 2 tempi a cilindri paralleli con pistone di lavaggio è stato ideato da DKW è un motore che permette una lubrificazione indipendente dalla miscela fresca e avere un motore a cilindri paralleli costruito in modo semplice rispetto a quanto verrà fatto in seguito dalla Garelli-Marcellino-Isomoto.^[5]

Un'altra struttura di questo ciclo è il motore a due tempi a cilindri convergenti, ideato da DKW, dove si avevano due cilindri che convergono in un unico punto, in modo da ridurre il volume della camera di combustione, una testa che metteva in comunicazione i due cilindri e formata anch'essa in un unico pezzo, dove un cilindro aveva la luce di scarico e l'altro permetteva l'ingresso di carica fresca al carter-pompa ed era munito di almeno un travaso, inoltre i pistoni erano vincolati ognuno a un suo albero motore, i quali erano vincolati tra loro tramite un sistema a ingranaggi creato direttamente sullo spallamento dell'albero motore e che vincolava a far ruotare i due alberi in direzioni opposte, inoltre con questo motore si utilizzava una pompa di lavaggio diversa dal carte pompa, esattamente come nel motore a cilindri paralleli.^[6]

A scalinata o con pistoni a doppio diametro 

Il motore a scalinata (Stepped Piston Engine in inglese), utilizza una tecnica particolare per l'aspirazione e distribuzione della carica fresca nel cilindro del motore, che consiste nell'avere un cilindro complementare e relativo pistone che aspira e distribuisce la carica dentro ad altri due cilindri, dove avviene la combustione, per poter alimentare due cilindri questo pistone (che ruota allo stesso regime degli altri due) ha due camere, di cui una è formata dalla testata, cilindro e pistone, mentre la seconda è formata dal cilindro, pistone e carter.^[7]
Per regolare il flusso della carica fresca nel cilindro complementare si può utilizzare la semplice tecnica del piston port, una luce centrale al cilindro che viene aperta solo quando il pistone è alle estremità e alimentare la camera opposta a quella momentaneamente utilizzata, mentre per il flusso diretto a uno dei due cilindri dove avviene la combustione il flusso è governato dal semplice movimento del pistone che apre o chiude le luci dei travasi.

Il vantaggio di questo sistema è che il pistone è più facilmente lubrificabile e possono essere utilizzati cuscinetti come su un motore a quattro tempi. I brevetti su questo disegno sono detenuti da Bernard Hooper Engineering Ltd (BHE).

L'evoluzione di questo sistema è l'utilizzo di pistoni a doppio diametro, dove si può avere anche un solo cilindro che è a diametro differenziato, ovvero hanno una zona superiore normale ed una zona a diametro maggiorato più in basso (vicino all'albero motore) e anche il pistone è forgiato nello stesso modo, in questo modo la funzione di pompa di lavaggio viene svolta dall'insieme cilindro-pistone maggiorato a fianco, mentre la parte superiore a diametro ridotto funziona come un normale 2 tempi.^[8] È evidente che i due pistoni devono avere gli angoli di manovella sfasati di 180 gradi.