Alimentazione Motore a 2 Tempi: Funzionamento e Componenti

Il funzionamento di un motore con ciclo a due tempi è ben diverso rispetto ai propulsori a quattro tempi: questo comporta delle evidenti differenze costruttive. Le più importanti sono la testa, che nel due tempi non ha valvole, ma solo la camera di combustione priva di aperture, ad eccezione di quella per la candela; il cilindro ha, nella parte inferiore una serie di luci (di travaso e scarico), indispensabili per l'ingresso e l'uscita dei gas, che sono aperte dal pistone durante il ciclo.

Componenti Chiave del Motore a 2 Tempi

Per comprendere appieno il funzionamento, è utile analizzare le varie componenti:

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.
• Manovellismo: 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.
• Pistone: 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.
• Biella: La biella di un motore a due tempi è solitamente più leggera rispetto a quella di un motore a quattro tempi.

Parti Fisse

• Carter motore: Il carter motore ha la funzione di contenere l'albero motore. Inoltre, funziona da camera per la prima fase di aspirazione.
• Cilindro: 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.
• Testata: La testa, che nel due tempi non ha valvole, ma solo la camera di combustione priva di aperture, ad eccezione di quella per la candela.

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.

Ciclo di Funzionamento del Motore a 2 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.

E' opportuno analizzare le varie fasi del funzionamento che, ricordiamolo, si svolgono in un solo giro dell'albero motore, quindi in due corse del pistone.

• Aspirazione/Compressione: Il pistone sale verso il Punto Morto Superiore (PMS) e nel cilindro avviene la fase di compressione; intanto la parte inferiore del pistone ha scoperto la luce di aspirazione e nel basamento ha luogo l'aspirazione della miscela aria-benzina proveniente dal carburatore. Questa ammissione è regolata da una valvola a lamelle e, solo in casi ormai rari, viene anch'essa aperta e chiusa dal pistone. Il pistone sale verso il Punto Morto Superiore (PMS) e chiude sia la luce di scarico che quella di travaso. La miscela aria-benzina-olio che si trova nella camera di combustione nella parte superiore del cilindro viene compressa. La luce di aspirazione, restando aperta, permette l’introduzione di nuova miscela all’interno del carter, situato nella parte inferiore del cilindro. Tale immissione è resa possibile dalla depressione generata con la salita dello stesso. La compressione favorisce, con il successivo scocco della scintilla, l’innesco della combustione della miscela. 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.
• Espansione/Scarico: Durante la fase di espansione, i gas all'interno del cilindro spingono il pistone verso il Punto Morto Inferiore (PMI), finché il margine superiore del pistone scopre la luce di scarico ed i gas combusti fuoriescono dal cilindro. Nel frattempo la miscela aria-benzina subisce una precompressione nel basamento, dal quale non può uscire essendo ormai chiusa la luce d'aspirazione. Scarico/Travaso: Il pistone scende, spinto dalla combustione, e simultaneamente spinge la miscela fresca nel cilindro per il ciclo successivo. l’espansione provocata dalla combustione della miscela spinge questa volta il pistone verso il basso, cioè verso il Punto Morto Inferiore (PMI). La luce di aspirazione si chiude e si aprono quelle di scarico e di travaso. La miscela contenuta nel carter al di sotto del pistone viene spinta verso la parte superiore del cilindro, prendendo il posto dei gas prodotti dalla combustione, i quali fuoriescono dalla luce di scarico.

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.

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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.

Sistemi di Immissione

Esistono diversi sistemi di immissione della miscela nei motori a 2 tempi:

• Aspirazione comandata dal pistone: La più semplice e più utilizzata in motori di basso costo, quali motori per attrezzi da lavoro (motoseghe, decespugliatori...) o ciclomotori. Normalmente, 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, permettendo la fuoriuscita della miscela fresca. 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. Non è possibile modificare un motore nato con aspirazione comandata dal pistone aggiungendo una valvola unidirezionale: questa soluzione andrebbe ad ostruire il condotto di aspirazione, troppo stretto per questo utilizzo.
• Valvola a lamelle: Per questo motivo, la valvola a lamelle viene posizionata di fronte alla luce di scarico, ed è presente un travaso aggiuntivo che collega l'interno del cilindro con la valvola a lamelle. 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.
• Disco rotante: Si tratta della soluzione più raffinata. Questo permette libertà massima per quanto riguarda la fasatura di aspirazione, che può essere asimmetrica rispetto al PMS. 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). Ci sono anche alcuni svantaggi: non essendo presenti valvole unidirezionali, parte della miscela può comunque fuoriuscire come accadeva con la luce comandata dal pistone. 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.

Sistema di Scarico

Il sistema di scarico è fondamentale per le prestazioni del motore a 2 tempi. Ecco i suoi componenti principali:

• 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.
• Cono divergente: Crea un onda di depressione aiutando lo svuotamento del cilindro.
• Tratto cilindrico: Collega cono convergente e cono divergente.
• Cono convergente: Ha la funzione principale di intensificare ed allungare la durata dell'onda di pressione di ritorno. 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.
• 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.

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.

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. Si è così calcolata la lunghezza dalla faccia del pistone fino alla metà del cono convergente.

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Nel caso in cui si voglia la massima potenza, il regime di utilizzo sarà molto ristretto.

• Risuonatore: Condotto (o camera) chiuso ad una estremità, montato sul collettore di scarico e parallelo ad esso.
• Freno aerodinamico: rondella interposta tra cono convergente e spillo, strozza il condotto aumentando la temperatura dei gas e modificando la risposta dell'espansione.

Iniezione Diretta

Il carburante in questo caso viene iniettato direttamente all'interno della camera di combustione, a luci chiuse.

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.

• 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.
• 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.

Si tratta di un ulteriore step volto al miglioramento del rendimento dei motori a due tempi. Grazie a questo, è possibile comandare a piacimento la fasatura di scarico, e il lavaggio può essere effettuato in modo più efficiente. Inoltre, il carter non comunica con l'interno del cilindro, non c'è combustione di olio lubrificante, a tutto vantaggio delle emissioni inquinanti.

Motore a 2 Tempi vs Motore a 4 Tempi

Per ogni motociclista, almeno una volta, sorge l’amletico dubbio: meglio un motore a 2 tempi o a 4 tempi? Questa domanda divide spesso gli appassionati, specialmente in discipline come enduro e cross, dove il motore a 2 tempi è ancora molto presente. Il motore a 4 tempi, noto anche come motore a ciclo Otto (dal nome del suo inventore), è attualmente il più diffuso. Questo motore sfrutta i principi della termodinamica per convertire l’energia termica in energia meccanica. Il motore a 2 tempi è molto più semplice rispetto al 4 tempi. Non richiede un sistema di distribuzione complesso, e la testata è ridotta a un semplice coperchio.

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Sulla carta, un motore a 2 tempi può erogare una potenza doppia rispetto a un motore a 4 tempi di pari cilindrata, grazie al fatto che completa un ciclo di lavoro in metà del tempo.

Il motore a due tempi è ancora prevalentemente utilizzato in alcune tipologie di mezzi nautici e soprattutto nei motocicli, come gli off road e in genere in quelli di piccola e media cilindrata, e cioè i 50, 125 e 150 cc. La differenza sostanziale tra un motore a 2 tempi e uno a 4 tempi è che il primo completa l’intero ciclo di funzionamento in due corse del pistone, mentre il secondo richiede quattro corse per completare le quattro fasi (aspirazione, compressione, espansione, scarico), risultando più efficiente ma meno potente a parità di cilindrata.

I vantaggi e le caratteristiche di funzionamento di un motore a due tempi, che rendono questo sistema particolarmente apprezzato da tutti gli appassionati di motociclismo, rappresentano contemporaneamente degli svantaggi. Il motore a due tempi è più leggero e meno complesso di un quattro tempi. Infatti, non necessita di valvole e dei conseguenti sistemi di lubrificazione, rendendo il tutto più semplice anche dal punto di vista della manutenzione. Ciò che rende il due tempi facile, potente e scattante lo rende però problematico dal punto di vista della combustione. Infatti, il fatto che la miscela oltre ad aria e combustibile includa anche olio, fa sì che porti ad emissioni più tossiche.

La combustione nei motori a 2 tempi è generalmente peggiore rispetto ai 4 tempi perché il processo di lavaggio non è separato dalle altre fasi del ciclo. Durante questa fase, la miscela fresca di aria e carburante entra nel cilindro mentre i gas di scarico vengono espulsi, e questo porta a una parziale fuoriuscita della miscela non bruciata verso l’ambiente esterno (oltre il 20% della carica fresca bypassa verso lo scarico).

Come già anticipato, l’avvento di normative antinquinamento sempre più stringenti ha portato all’uscita completa dal mercato automobilistico e motociclistico dei motori due tempi.

Manutenzione del Motore a 2 Tempi

Per poter funzionare, questi motori vanno riforniti con una miscela di benzina e olio specifico. La percentuale di olio da miscelare con la benzina può variare in base alle specifiche del costruttore o all’intensità d’utilizzo della macchina. Questo tipo di motore, bruciando olio oltre alla benzina quando è in funzione, risulta più fumoso rispetto al motore a 4 tempi. Non a caso quest’ultimo risulta meno inquinante e più confortevole per l’utilizzatore, il quale in questa maniera può operare in un ambiente più pulito e con meno gas di scarico.

Tornando a parlare dei motori a 2 tempi, oggetto di questa guida, la qualità dell’olio è fondamentale, sia per stabilire la giusta percentuale di miscelazione, sia per salvaguardare la durata e la corretta lubrificazione del motore, essenziale per evitare il grippaggio. Il miglior olio, che ormai viene venduto e utilizzato per la maggiore, è l’olio a base sintetica, il quale è in grado di garantire un miglior livello di protezione al motore e minor inquinamento. Come si può dedurre dal nome, questo tipo di olio presenta un’elevata componente sintetica, che ne determina la qualità: maggiore è la parte sintetica, maggiore sarà la qualità e quindi la capacità lubrificante dello stesso.

L’olio minerale (ottenuto direttamente dalla raffinazione del petrolio), deve essere immesso in una quantità doppia, in genere 4% o 5%, rispetto a quello definito sintetico (ottenuto per sintesi chimica del petrolio), in genere 2% o 3%. La cosa migliore da fare rimane sempre attenersi alle istruzioni indicate nel manuale di uso del proprio macchinario. In virtù di questa percentuale minore, non solo si ottengono prestazioni uguali o superiori, sia del motore sia della lubrificazione, ma si contribuisce a creare minori incrostazioni sul pistone e sulla candela.

Tra gli elementi di un motore da non sottovalutare assolutamente c’è il filtro dell’aria.

Prima di lunghi periodi di inattività (oltre 2 mesi), non lasciare il carburante nel serbatoio. La benzina tende a separarsi dall’olio e a perdere le sue caratteristiche di origine, rischiando di compromettere il funzionamento del motore fino a causarne il grippaggio. In alcuni casi, anche il carburatore può registrare dei danneggiamenti a tal punto da dover richiedere costosi interventi di manutenzione.

Vantaggi e Svantaggi del Motore a 2 Tempi

I motori a 2 tempi presentano specifici vantaggi e svantaggi rispetto ai motori a 4 tempi:

Vantaggi

• Una potenza superiore al motore a 4 tempi (a parità di cilindrata).
• Una coppia superiore al motore a 4 tempi.
• Possono lavorare in qualsiasi posizione.
• Una dimensione molto più contenuta e soprattutto un peso di gran lunga inferiore a un motore a 4 tempi di analoga potenza. È proprio per queste ragioni che buona parte delle attrezzature che richiedono dimensioni compatte e portabilità da parte dell’operatore, vengono realizzate con motore a 2 tempi a miscela, non potendo ottenere un egual livello di leggerezza e comfort da un motore a 4 tempi di analoga potenza.

Svantaggi

• La combustione nei motori a 2 tempi è generalmente peggiore rispetto ai 4 tempi perché il processo di lavaggio non è separato dalle altre fasi del ciclo. Durante questa fase, la miscela fresca di aria e carburante entra nel cilindro mentre i gas di scarico vengono espulsi, e questo porta a una parziale fuoriuscita della miscela non bruciata verso l’ambiente esterno (oltre il 20% della carica fresca bypassa verso lo scarico).
• Emissioni più tossiche a causa della miscela di olio e carburante.

Entrambi i motori hanno pregi e difetti, e la scelta tra l’uno e l’altro dipende molto dall’uso previsto e dalle preferenze personali del motociclista.

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