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Motore a due tempi

Da Programmazione Software.

Generalità

Riferendoci a quanto si è detto nella descrizione del principio funzionale di un motore a scoppio, si può osservare che il ciclo motore può essere compiuto nel minimo numero di tempi strettamente necessarii, cioè due (non meno di due), perchè ad ogni ciclo, il pistone deve trovarsi nella posizione iniziale di partenza e quindi deve essere passato dal PMS al PMI (1º tempo) e dal PMI al PMS (2º tempo). Durante questi due tempi si deve compiere un ciclo ossia devono verificarsi quattro fasi. Vediamo teoricamente come può essere realizzato tale principio. Ammettiamo di avere un recipiente contenente miscela aria-benzina leggermente compressa e che sia in comunicazione col cilindro motore, il quale si trova attraverso un'altra apertura in comunicazione con l'ambiente esterno e pensiamo che il pistone si trovi al PMI. Per effetto della pressione la miscela si travaserà nel cilindro, ove esiste una pressione inferiore, ne scaccerà l'aria o il gas in esso contenuto e lo riempirà. Se, quando la miscela ha riempito completamente il cilindro, si chiude la comunicazione del medesimo con il recipiente esterno, ci si ritrova nelle medesime condizioni di fine aspirazione di un motore a quattro tempi. Il pistone salirà verso il PMS compiendo la fase di compressione, ne seguirà l'accensione e poi l'espansione dei gas combusti che spingerà il pistone verso il PMI, fornendo lavoro. Se, giunto il pistone al PMI, apriamo la comunicazione con l'esterno e con il recipeinte contenente la miscela compressa, noi otterremo l'uscita dei gas combusti e contemporaneamente l'introduzione nel cilindro di miscela fresca, chiudendo in tal modo il ciclo. Un motore di tal genere comporterebbe però, rispetto a quello a quattro tempi, la grave complicazione di richiedere un recipiente contenente miscela precompressa e di conseguenza un compressore che, aspirando attraverso un carburatore, fosse in grado di mantenere l'alimentazione. La realizzazione pratica del motore a due tempi è però molto semplice e permette anzi di eliminare alcuni organi (valvole e comandi relativi) che sono tra i più delicati del motore a quattro tempi.


Il motore a due tempi nella sua fase elementare

Il cilindro del motore a due tempi si presenta generalmente senza valvole comandate; vi sono invece sulla superficie laterale e nella parte inferiore del cilindro, due serie di feritorie, dette luci, opposte le une alle altre (fig. 14). Ogni serie, è rispettivamente in comunicazione con le tubazioni di scarico (luci di scarico) e con la zona dove si trova la miscela (luci di lavaggio) precompressa all'inizio. Tali luci sono a due livelli diversi e precisamente più in alto verso la testa le luci di scarico, leggermente più in basso quelle di lavaggio avendo la maggior parte della loro altezza in comune.


Motore a 2 tempi


E' chiaro che il pistone nel suo moto di discesa prima scopre le luci di scarico e poi quelle di lavaggio ed inversamente nel moto di ascesa.. Il carter del motore è in comunicazione attraverso una terza luce (luce di aspirazione) con il carburatore e questa viene pure scoperta nel moto ascensionale del pistone. L'aspirazione della miscela viene quindi effettuata nel carter stesso del motore ed è provocata dal pistone, che salendo crea una depressione, nel carter, tale da richiamare attraverso il carburatore una forte corrente di miscela. Nel moto discendente del pistone, la luce di aspirazione viene chiusa perchè ricoperta dal mantello del pistone stesso, e la miscela che si trova nel carter, per effetto della diminuzione di volume del medesimo, viene leggermente compressa. Viene assicurata così la pressione sufficiente a riempire rapidamente il cilindro attraverso le luci di lavaggio. Nei motori di ormai vecchio disegno la testa del pistone assume forme particolari, allo scopo di ottenere una corrente di miscela fresca tale da garantire un buon riempimento riempimento del cilindro e la minor perdita della medesima attraverso le luci di scarico assieme ai gas bruciati che si stanno scaricando; normalmente tali pistoni presentano la testa foggiata a tegolo di varia forma che viene tecnicamente chiamato deflettore (fig. 15).


Pistone


Tale deflettore può dare però degli inconvenienti quali la possibilità di creare dei punti caldi che favoriscono l'autoaccensione, la limitazione del rapporto di compressione e spesso l'introduzione di perdite di carcio sulla corrente di miscela fresca, tali da compromettere il riempimento del cilindro. Modernamente si preferisce fare la testa del pistone piatta ed assicurare la direzione del getto di miscela mediante opportuna inclinazione dei condotti nelle immediate vicinanze delle luci di lavaggio. Da quanto sopra detto, il pistone ha il compito non solo di ricevere la spinta dei gas combusti, di trasmetterla al sistema biella-manovella, ma anche di funzionare, con il bordo superiore, come organo distributore e con la faccia inferiore come organi alimentatore.


Funzionamento

Per comodità di esposizione consideriamo in funzionamento del motore nel momento in cui il pistone si trova al PMS, la miscela compressa sia stata accesa e inizi l'espansione, mentre il carter si trova pieno di miscela fresca.

Corsa discendente (fig. 16) espansione, compressione della miscela nel carter, scarico, lavaggio. Il pistone dopo aver percorso un piccolo tratto discendente copre, con il suo lembo inferiore, la luce di aspirazione ed essendo il carter del motore chiuso, inizia la compressione della miscela, mentre i gas combusti nel cilindro si espandono. La chiusura della luce di aspirazione, ovverossia della comunicazione tra carter e carburatore, avviene quindi con un ritardo del tutto paragonabile a quello con cui si chiudevano le valvole di aspirazione in un motore a quattro tempi. Tale ritardo è definito dalla lunghezza della luce di aspirazione che assume valori limitati per evitare il ritorno nei condotti di aspirazione della miscela precedentemente aspirata.

Aspirazione motore a 2 tempi
Lavaggio motore a 2 tempi
Verso la fine della corsa discendente, il pistone, mentre continua a comprimere nel carter la miscela, scopre dapprima le luci si scarico, per cui i gas combusti, che si trovano ad una pressione superiore a quella dell'ambiente esterno, fluiscono naturalmente attraverso tali luci con elevata velocità e portano la pressione interna ad una valore circa pari a quello dell'ambiente esterno. Con un lieve ritardo rispetto all'inizio dello scoprimento delle luci di scarico, il pistone, continuando il suo moto discendente, scopre le luci di lavaggio per cui la miscela precompressa nel carter fluisce, attraverso queste, nel cilindro, completa lo scarico dei prodottti combusti spingendoli verso le luci di scarico (lavaggio) e riempie il cilindro (fig. 17). Il pistone frattanto è passato dal punto PMS al PMI e l'albero motore ha compito mezzo giro (1º tempo).
Motore a 2 tempi fase 1
Corsa acendente (fig.18) (compressione, aspirazione miscela nel carter).

Il pistone, dopo aver compito un piccolo tratto di corsa, copre con il suo bordo superiore le luci di lavaggio e di scarico ed inizia la fase di compressione della miscela. Contemporaneamente per effetto del suo moto ascensionale e del conseguente aumento di volume nel carter, determina in questo una depressione, cosicchè nell'istante in cui (fig. 19) il lembo inferiore del pistone scopre la luce di aspirazione esiste fra l'ambiente esterno e il carter una differenza di pressione tale da provocare un richiamo di aria attraverso il carburatore, dando così luogo alla formazione della miscela, che affluisce sino a che il pistone giunge al PMS e continua anceh oltre per effetto dell'inerzia della corrente provocata inizialmente. Qualche istante prima ceh il pistone giunga al PMS, per i medesimi motivi che abbiamo esposto parlando del ciclo a quattro tempi (cap. III, scocca tra gli elettrodi della candela una scintilla che provoca la repentina combustione della miscela (scoppio) chiudendo il ciclo. Il pistone è così passato dal PMI al PMS e l'albero motore ha compito mezzo giro (2° tempo).

Motore a 2 tempi fase 2


Diagramma delle pressioni nel cilindro

Corsa discendente del pistone.

Immaginiamo (fig. 20) come nella descrizione precendente del funzionamento del motore a due tempi, di iniziare le nostre considerazioni nell'istante in cui il pistone si trova al PMS e i gas si trovano alla massima pressione (circa 36-40 kg/cm2) in seguito allo scoppio. Nel diagramma p.v. tale istante sarà rappresentato dalla pressione P2 e dal volume V0 della camera di scoppio. I gas nella loro espansione varieranno in pressione e in volume seguendo la linea C-D, finchè il pistone giunto in 1 scopre le luci di scarico. In tale istante la pressione nell'interno del cilindro si abbassa rapidamente apporssimandosi a quella atmosferica (curva D-E). Continuando il pistone la sua corsa discendente, giunto in 2, rimanendo aperte le luci di scarico, si inizia l'apertura delle luci di lavaggio per cui nel cilindro affluisce della miscela fresca con una certa pressione che rallenta l'abbassamento di pressione nell'interno del cilindro (curva E-F). Quando il pistone giunge al PMI nell'interno del cilindro regnerà pressocchè la pressione atmosferica.

Diagramma pressioni nel cilindro del motore 2 tempi
Corsa ascendente del pistone.

Il cilindro rimane in diretta comunicazione, attraverso le tubazioni di scarico con l'ambiente esterno per cui nel suo interno si manterrà inalterata la pressione rappresentata dalla retta F-A parallela all'asse dei volumi (pressione costante) e ciò sinchè il pistone nella sua corsa ascendente non ricopre le luci di aspirazione e di scarico. A partire da A le condizioni della miscela, per effetto della riduzione di volume del cilindro dovuta al moto ascensionale del pistone, varieranno in pressione e in volume seguendo la curva A-B sino a raggiungere in corrispondenza del PMS del pistone la pressione P1 e il volume V0 pari al volume della camera di scoppio. In tale istante, o meglio alcuni istanti prima, scocca la scintilla che, fermo restando il volume della miscela, provoca un innalzamento repentino di pressione dal valore P1 al valore P2; tale trasformazione avviene lungo una retta B-C parallela all'asse delle pressioni (volume costante e pari a quello della camera di scoppio)


Diagramma delle pressioni nel carter

Corsa discendente del pistone.

Anche nel tracciare questo diagramma (fig. 21) consideriamo il pistone al PMS in fase discendente. Quando il pistone si trova al PMs la luce di aspirazione è scoperta ed il carter, attraverso il carburatore, si trova in comunicazione con l'ambiente esterno, quindi la miscela che si trova in esso avrà un volume V1 e una pressione pari a quella atmosferica, pressione che si mantiene costante sino a che il pistone, nel suo moto discendente, non ricopre col proprio mantello l'intera luce di aspirazione (punto N). Da questo istante, essendo il carter isolato da ogni comunicazione esterna, il pistone nel suo moto discendente riduce il volume del carter e comprime la miscela sino a portarla, seguendo la curva N-M ad una pressione P1 = (1,3-1,4 km/cm2): nel punto M si apre la comunicazione tra carter e cilindro e la miscela scaricandosi in questo abbassa la pressione nel carter secondo la curva M-L.

Diagramma delle pressioni nel carter del motore 2 tempi
Corsa ascendente del pistone.

Il carter si trova, abbiamo visto, in comunicazione con il cilindro dove regna pressocchè la pressione atmosferica e tale pressione vinee mantenuta nel carter sino a che la luce di lavaggio (che realizza appunto tale comunicazione) non venga ricoperta dal pistone (punto I). Da questo punto essendo il carter isolato da ogni comunicazione esterna, il moto ascensionale del pistone ed il conseguente aumento del volume del carter crea una depressione che va man mano aumentando con una legge che è rappresentata dalla curva I-H. Giunto il pistone in H viene scoperta la luce di aspirazione e un forte fkusso di aria viene richiamato attraverso il carburatore provocando il riempimento di miscela del carter.


Questi sono i diagrammi pressioni-volumi nel cilindro e nel carter di un motore a due tempi nella sua forma più elementere. Un motore costruito secondo quanto abbiamo descritto ha però un rendimento assai inferiore rispetto al motore a quattro tempi e le cause di tale minore rendimento sono da ricercarsi

  1. nel minor riempimento del cilindro;
  2. nella uscita di miscela durante la fase di lavaggio attraverso le luci di scarico.

Pur non pensando di ottenere nel due tempi un rendimento pari a quello di un quattro tempi, si può ridurne il divario ricorrendo a disposizioni speciali di organni o ad accorgimento tali che modificano in parte i cicli già descritti e che, pur complicando la costruzione del motore, si sono ormai resi necessari per l'affermazione del due tempi. Per semplicità di esposizione trattaremo per primo argomento l'aspirazione attraverso il carter.


Carter

Abbiamo detto che un miglioramento nel ciclo si ottiene aumentando il rendimento volumetrico del motore: è evidente che in un motore a due tempi si devono considerare due rendimenti volumetrici, quello del carter e quello del cilindro. Considerando il rendimento volumetrico del carter, questo può essere migliorato con due diversi sistemi che possono entrambi essere contemporaneamente adottati.

1) Riduzione degli spazi nocivi Il carter ha un certo volume che comprende tutto lo spazio racchiuso tra il cielo del pistone, considerato al PMI, e le pareti del carter medesimo. Il volume del carter viene in parte ad essere occupato dall'albero a gomiti, dai relativi contrappesi e dalla biella, ma in parte resta libero. Questo spazio libero è nocivo agli effetti del riempimento di miscela del carter ed è perciò che viene chiamato spazio nocivo. Infatti il pistone nella sua corsa ascendente aumenta il volume del carter di una quantità pari alla cilindrata cioè crea una depressione che è direttamente proporzionale alla cilindrata dele motore ed inversamente proporzionale al volume del carter o in parole povere è tanto più grande quanto più piccolo è lo spazio nocivo. Con l'aumento della depressione si aumenta il richiamo della miscela o meglio si aumenta la velocità della miscela e quindi l'inerzia della colonna di miscela fresca. E' appunto sfruttando questa inerzia che, in modo analogo a quanto visto nel capitolo III, considerando il ritardo alla chiusura della valvola di aspirazione di un motore a quattro tempi, si può aumentare il rendimento volumetrico del carter. Nella riduzione degli spazi nocivi non vi sono limiti, più essi sono ridotti tanto maggiore sarà il rendimento del motore.

2) Valvola rotativa Abbiamo già detto che si deve cercare di sfruttare al massimo la colonna di miscela aspirata; ma in un motore in cui la comunicazione tra condotti di aspirazione e carter è rigidamente collegata al moto del pistone che scopre una luce, tale sfruttamento non può avenire. Infatti l'apertura e la chiusura di questa luce avviene per una certa ugual posizione del pistone (fig. 19) e volendo ritardare la chiusura della luce (per sfruttare in aspirazione l'inerzia dei gas freschi) si deve necessariamente anticipare l'apertura della medesima con l'immediata conseguenza di ridurre il valore della depressione, valore che invece deve essere il più elevato possibile: si perdono cioè tutti quei vantaggi che ci eravamo procurati con la riduzione degli spazi nocivi. La soluzione di tale problema è appunto ottenuta mediante la così detta valvola rotativa (fig. 22), che consente di non far dipendere l'apertura e la chiusura della comunicazione tra condotti di aspirazione e carter dalla posizione del pistone, ma solo da quella dell'albero a gomiti. Si ottiene così l'apertura della luce di aspirazione quando il pistone è molto prossimo al PMS e la chiusura nell'istante più appropriato per ottenere il massimo rendimento. Con tale accorgimento si può quindi variare l'inizio e la fine dell'aspirazione e l'ampiezza, cioè la durata, dell'aspirazione stessa.


Carter del motore 2 tempi


Cilindro

Poco si può fare sul cilindro propriamente detto, per aumentare il rendimento volumetrico. Per assicurare un alto rendimento totale, è necessario aumentare al massimo le luci di lavaggio (entrata della miscela fresca nel cilindro) allo scopo di diminuire le perdite di carico durante l'immissione. Tale aumento di sezione deve però avvenire nel senso normale all'asse del cilindro, in modo da non anticipare troppo l'apertura delle luci per poter sfruttare in pieno la massima pressione che si raggiunge nel carter (con pistone al PMI). I moderni motori a due tempi hanno ormai adottato in pieno tale sistema di comando dell'aspirazione, sistema che oltre ai vantaggi descritti ne presenta un altro in quanto permette di poter variare abbastanza facilmente i valori dell'inizio e fine aspirazione, cosa molto difficile e comunque costosa nel caso di moteri a luce di aspirazione comandata a pistone. Normalmente tali luci hanno inclinazione adatter per permettere e garantire il perfetto lavaggio che si ottiene evitando la possibilità di spazi morti o sacche dove si racoclgono i gas combusti che rimangono nella camera di scoppio durante il ciclo successivo. Ci sembra opportuno qui ricordare un altro tentativo per migliorare il lavaggio ed impedire la possibilità di uscita diretta della miscela fresca dalle luci di scarico. In tale motore il deflettore è sostituito da un diaframma che separa le luci di immissione da quelle di scarico. In pratica cioè si può paragonare a un motore bicilindrico con un'unica camera di scoppio; il maggiore rendimento ottenibile non è tale da giustificare il maggior peso della parti in moto alternativo.


Motori a due tempi pluricilindrici

Il motore a due tempi con aspirazione nel carter non trova diffusione nei motori pluricilindrici, perchè è difficile realizzare l'alimentazione mediante l'aspirazione nel carter che dovrebbe essere costruito in scomparti a perfetta tenuta. Per ovviare a tale difficoltà che farebbe del motore a due tempi un motore costoso e di incerto funzionamento, si ricorre alla costruzione di un cilindro complementare in cui avviene l'aspirazione e la precompressione della miscela. Uno dei motori di questo tipo che ha trovato un assai diffuso impiego è quello costruito dalla DKW. Esso è un motore a quattro cilindri a V di 90° con due cilindri per l'alimentazione e doppio effetto (pompe di alimentazione) situate in linea con i rispettivi due cilindri motori. Il funzionamento di questo motore risulta dalla fig. 23 che rappresenta una sezione longitudinale su un ordine di cilindri e mette in evidenza il circuito di alimentazione di due cilindri. A chiarimento della figura diamo qui di seguito una breve descrizione del funzionamento: Mentre il cilindro n.2 si trova al termine della fase di compressione al PMS il cilindro n. 1 si trova al PMI al termine della fase di espansione.


Motori 2 tempi pluricilindrici


Le luci di scarico e di lavaggio del cilindro n. 1 sono aperte mentre il pistone della pompa di alimentazione invia, attraverso il condotto chiaramente visibile in figura, nel cilindro n. 1 la miscela combustibile già precedentemente compressa (1,35 atm.) nella parte superiore della pompa di alimentazione, nella parte inferiore del cilindro lo stesso pistone nella sua corsa ascensionale aspira miscela dal carburatore. Spostandosi in seugito il pistone della pompa di alimentazione dal PMS al PMI comprime nella parte ingeriore del cilindro la miscela precedentemente aspirata per avviarla nel cilindro n. 2, che frattanto avrà effettuata la fase di scoppio ed espansione ed il cui pistone passando dal PMS al PMI avrà scoperto le luci di scarico e di lavaggio, mettendo quindi in comunicazione il cilindro con la parte inferiore della pompa.


Altro tipo di motore a due tempi a due cilindri abbsatanza diffuso, specie nel campo dei fuoribordo, è quello a due cilindri contrapposti così detto a una scintilla in cui i due pistoni si muovono contemporaneamente da PMS a PMI, disposizione che rende possibile realizzare l'alimentazione co naspirazione e precompressione in un unico carter. La fig. 24 mostra il chiaro funzionamento di questo tipo e non ha bisogno di ulteriori commenti.


Motori 2 tempi pluricilindrici


Paragone tra motore a 4 tempi e 2 tempi

Dal punto di vista termodinamico non vi è sensibile differenza tra un motore a 2 tempi e a 4 tempi; infatti l'unica differenza da questo lato è la precompressione (nel carter o in un apposito compressore della miscela) ma poichè il valore della pressione è molto limitato, la perdita per rendimento termodinamico in questa fase è quasi del tutto trascurabile, mentre non si può parlare di diverso rendimento termoodinamico nel ciclo che si svolge nel cilindro, in quanto nulla di sostanzialmente diverso si ha in confronto a quello di un motore a 4 tempi. Si potrebbe quindi a tal punto affermare che un motore a 2 tempi a parità di cilindrata, regime, peso e ingombro di un motore a 4 tempi, erogherà una potenza doppia; ma, come già abbiamo dovuto osservare, il rendimento volumetrico di un motore a 2 tempi è nettamente inferiore a quello di uno a 4 tempi, in quanto si passa da un valore dell'80% a quello del 55-70% rispettivamente in un motore a 4 e a 2 tempi. Inoltre, poichè non è possibile tenere in un motore a 2 tempi un rapporto di compressione molto elevato, poichè la temperatura dei gas di scarico residui nel cilindro o che comunque verrebbero a contatto con i gas freschi innalzerebbe troppo sensibilmente la temperatura di fine compressione della miscela con pericolo di detonazione della medesima, si ha una seconda causa per l'abbassamento del rendimento termodinamico, per cui si può ritenere che un motore a 2 tempi può sviluppare, nelle migliori ipotesi, una potenza, a parità di cilindrata e regime, uguale a 1,4-1,6 quella di un motore a 4 tempi. Tale confronto è stato fatto solo dal punto di vista termodinamico; in pratica interessano forse maggiormente altri rapporti, vale a dire un rapporto fra i consumi e un rapporto di costo a parità di potenza. Sotto queti punti di vista si può asserire che un motore a 2 tempi consuma circa il 40-50% in più rispetto a un motore a 4 tempi, mentre il costo si aggira (essendo il raffronto possibile solo su motori a 2 tempi mono e bicilindrici e limitato alle piccole cilindrate, sino a 360 cm3) sul 60-80% in meno.