CAPITOLO 1
Il motore a due tempi ad accensione comandata per uso
motociclistico
1.1 Il ciclo operativo
Il motore a due tempi ad accensione comandata (2T ad A.C.) è un motore volumetrico a combustione interna, il cui nome deriva dal fatto che il ciclo, compiuto dal fluido operante all’interno del cilindro, si svolge in due corse dello stantuffo, una ascendente ed una discendente.
Generalmente il 2T ad A.C. per uso motociclistico è del tipo con “carter-pompa” e lavaggio a loop, ed è quanto di più semplice si possa trovare (fig. 1.1) nel campo dei motori a combustione interna. Infatti, a differenza del cilindro a quattro tempi, in questo tipo di motore non troviamo alcun tipo di valvola comandata. Vi sono soltanto delle fenditure, dette luci, ricavate direttamente sul cilindro, aperte e chiuse dal moto alternato del pistone. Quelle preposte all’espulsione dei gas verso l'esterno sono luci di scarico, quelle preposte all’ingresso della carica (dal carter o dalla pompa di lavaggio) sono luci di lavaggio, mentre quelle preposte all’ingresso della carica nel carter sono luci di aspirazione.
Figura 1.1 - Motore due tempi a carter-pompa e lavaggio a loop
Analizzando il suo funzionamento nel dettaglio, possiamo prendere, come punto di partenza, l’istante in cui il pistone si trova al PMS: qui la scintilla ha già avuto luogo ed inizia la corsa discendente nella quale avvengono le seguenti fasi:
Espansione, col carter pieno di carica fresca Compressione della carica nel carter
Scarico dei gas combusti Lavaggio con la carica fresca
Il pistone, in moto discendente (fig. 1.2), copre con il lembo inferiore le luci di aspirazione e la carica nel carter, per diminuzione di volume, inizia ad essere compressa, mentre i gas combusti si espandono. I due ambienti (sopra e sotto al pistone) non sono ancora in contatto.
Figura 1.2 – Inizio moto discendente
Verso la fine della corsa discendente (fig. 1.3) il pistone scopre prima la luce di scarico attraverso la quale i gas combusti escono velocemente, la pressione diminuisce e, poco dopo, vengono aperte anche le luci di lavaggio che mettono in comunicazione la carica precompressa con la camera. La carica fluisce sopra al pistone espellendo gli ultimi gas. Il pistone è ora al PMI e l'albero ha compiuto mezzo giro.
Inizia ora la corsa ascendente (fig. 1.4) (compressione nel cilindro e aspirazione della carica nel carter).
Il pistone, cominciata la sua risalita, copre col bordo superiore le luci di lavaggio e di scarico ed inizia la compressione della carica; ha quindi diviso nuovamente la parte sovrastante da quella sottostante. Il cambiamento di volume crea una compressione al di sopra e una depressione al di sotto.
Figura 1.4 – Inizio moto ascendente
Non appena il lembo inferiore libera le luci di aspirazione (fig. 1.5) viene richiamata la carica dal collettore di aspirazione. Pochi istanti prima che il pistone raggiunga il PMS, scocca la scintilla tra gli elettrodi della candela provocando l'accensione della carica.
Figura 1.5 - Fine corsa ascendente
Terminata la corsa ascendente, il pistone, dopo aver compiuto un altro mezzo giro, si trova nuovamente al PMS ed inizia così un nuovo ciclo.
1.2 La marmitta ad espansione
La marmitta ad espansione è un componente fondamentale per il funzionamento ottimale del motore 2 tempi. Infatti, grazie agli effetti d’onda permette al motore di migliorare il riempimento1 ed inoltre, con le sue caratteristiche, consente di modificare la curva di erogazione della potenza [13, 33 e 34].
Le parti principali di una marmitta (fig. 1.6) sono il collettore, il diffusore ed il controcono. Il diffusore crea le onde di depressione, mentre il controcono riflette le onde di pressione che aiutano il riempimento. Per ottenere una erogazione di potenza adatta all’impiego desiderato il diffusore ed il controcono devono avere angoli di divergenza opportuni.
Per migliorare l’intrappolamento della carica fresca nel cilindro la marmitta sfrutta le onde di pressione create dall’uscita dei gas dalla luce di scarico. Queste onde, che si muovono circa alla velocità del suono, si riflettono come onde negative (depressione) quando incontrano un allargamento di sezione, mentre, se incontrano un restringimento, si riflettono mantenendosi come onde di pressione.
Figura 1.6 - Parti principali marmitta ad espansione
Si descrivono ora, attraverso un’analisi molto semplificata, le fasi principali del funzionamento. Nei disegni i vettori caratterizzano il campo di moto dei gas, mentre gli archi indicano le onde che si generano per effetto dello scarico spontaneo (rosso), le onde riflesse di depressione (verde) e quelle di compressione (giallo).
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Accensione (fig. 1.7): dopo l’innesco della carica inizia la fase di espansione dei gas combusti nella camera di combustione con il pistone che si muove verso il punto morto inferiore.
Figura 1.7 – Inizio espansione
Apertura Scarico (fig. 1.8): il pistone scopre la luce di scarico, i gas cominciano a fuoriuscire a velocità molto elevata, generando così un’onda di pressione che inizia a viaggiare nel collettore.
Figura 1.8 - Apertura scarico
Apertura luci lavaggio (fig. 1.9): inizia la fase del lavaggio, la carica fresca entra nel cilindro mentre l'onda di pressione raggiunge il diffusore, dove in parte si riflette come onda di depressione (verde).
Figura 1.9 - Apertura luci lavaggio
Lavaggio (fig. 1.10): l'onda di depressione raggiunge il cilindro (a luci di lavaggio aperte), dove aiuta la fuoriuscita dei gas di scarico ed il riempimento del cilindro con la carica fresca. Una parte della carica viene risucchiata nella luce di scarico. Quasi nello stesso tempo l'onda di pressione non riflessa dal diffusore raggiunge il controcono della marmitta, dove si riflette come onda di compressione (giallo).
Figura 1.10 - Lavaggio
Chiusura luci lavaggio (fig. 1.11): con le luci di lavaggio già completamente chiuse e poco prima che il pistone chiuda la luce di scarico, l'onda di compressione riflessa dal controcono raggiunge la sezione di scarico spingendo dentro al cilindro la carica fresca precedentemente fuoriuscita e creando così una lieve sovralimentazione.
Figura 1.11 - Chiusura luci lavaggio
Gli effetti d’onda creati dalla marmitta si riferiscono alle condizioni di accordatura, ovvero nelle migliori condizioni di funzionamento. Purtroppo, a meno di non adottare particolari soluzioni, tutto ciò avviene in un determinato campo di funzionamento del motore al quale corrisponde la coppia massima. Al di fuori di questo campo, le onde prodotte dalla marmitta, che si propagano pressoché alla stessa velocità al variare del regime di rotazione, non arrivano nel cilindro all’istante voluto, non producendo più gli effetti positivi sopra descritti; anzi in taluni casi possono addirittura sfavorire il riempimento e/o l’intrappolamento. Se infatti supponiamo di trovarci al di sotto del regime di accordatura, l'onda di depressione raggiungerà troppo presto il cilindro quando il pistone non sarà ancora sceso abbastanza per scoprire i travasi e, allo stesso modo, l’onda di compressione arriverà quando le luci di lavaggio non sono ancora state chiuse. In questa situazione l’onda di depressione non riuscirebbe più a richiamare la carica fresca per tutta la fase dell’immissione e l’onda di compressione potrebbe causare dei backflow2.
Viceversa ad un regime troppo elevato, quando l'onda di depressione raggiunge il cilindro, il pistone ha già chiuso le luci di lavaggio ed analogamente, quando arriva l’onda di compressione, lo scarico è ormai chiuso; l’unico effetto riscontrabile sarebbe quindi quello negativo dell’estrazione di parte della carica fresca da parte dell’onda di depressione.
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1.3 Moti della carica in camera di combustione
Nei motori a 2T ad A.C. di tipo motociclistico descritto precedentemente, il campo di moto della carica all’interno della camera di combustione è fortemente turbolento e non stazionario. Tale turbolenza può essere indotta dai seguenti fattori:
Moto dei gas generato dalle luci di immissione (travasi).
Generalmente questi moti hanno un orientamento (cosiddetto a “loop”, molto simile ad un moto di “Tumble”, vedi figura 1.12) tale da permettere il miglior ricambio di carica fresca all’interno del cilindro. Tali moti sono quasi completamente estinti all'inizio della fase di combustione e il loro effetto sulla velocità del fronte di fiamma è trascurabile. È possibile comunque orientare i travasi in modo da formare dei vortici ad asse parallelo all'asse del cilindro (moto di tipo Swirl), che presentano, al momento della combustione, un contenuto energetico ancora significativo. Il vortice infatti, per effetto degli attriti, si degrada formando delle turbolenze di scala più ridotta fino ad arrivare ad una microturbolenza molto favorevole per il processo di combustione.
Moti provocati dallo stantuffo durante la corsa di compressione.
I moti indotti durante la fase di compressione sono quelli con maggior contenuto energetico e sono dovuti alla conformazione dello stantuffo e della testa del cilindro: se infatti una parte della loro superficie viene quasi a contatto al PMS, la carica verrà schiacciata (effetto Squish) ed espulsa energicamente verso il resto della camera di combustione, dando così luogo ad un vortice con asse perpendicolare a quello del cilindro. Questo tipo di turbolenza, generandosi contemporaneamente alla combustione, non ha il tempo di degradarsi verso scale più basse e non ha pertanto la stessa efficacia dei moti tipo “tumble” e “swirl” nell'incremento della superficie del fronte di fiamma.
La turbolenza creata dall’effetto “squish” non deve poi essere troppo elevata in modo da evitare l'estinzione della combustione per eccessivo scambio termico (effetto soffio), prima che il fronte di fiamma sia ben sviluppato.
luce di scarico
travasi aspirazione
Figura 1.12 - Rappresentazione dei moti dovuti ai travasi (lavaggio a “Loop”)
1.4 Problematiche dei motori due tempi ad accensione comandata
Il problema fondamentale dei motori a 2T ad A.C. per impiego motociclistico è la perdita di carica fresca dallo scarico e le cattivi e/o mancate combustioni ai bassi carichi, fattori che determinano un alto consumo specifico di combustibile e, soprattutto, un alto livello di emissioni inquinanti (in particolare di HC e CO). Infatti le ultime normative europee introducono limitazioni che stanno condizionando fortemente questa tipologia di motori; analogamente a quanto accadde nel settore automobilistico nel corso degli anni ’80-’90. Inoltre, il crescente costo dei carburanti porta ad un interesse sempre maggiore verso la riduzione dei consumi.
Vediamo più in dettaglio i problemi caratteristici del 2T ad A.C. “tradizionale”, cioè alimentato con miscela precarburata:
Elevate emissioni di incombusti (HC) dovute allo specifico processo di sostituzione della carica, che implica perdite dallo scarico di parte della carica fresca sia per mero cortocircuito che per pulsione dello stantuffo quando inizia la corsa di compressione. Tutto ciò si manifesta soprattutto ai bassi regimi di rotazione e ad alti carichi, in queste condizioni, i tempi di sostituzione della carica sono molto più lunghi rispetto a quelli
che si verificano in prossimità del regime di coppia massima; la carica fresca ha quindi a disposizione un tempo maggiore per raggiungere lo scarico e da lì fuoriuscire. Un ulteriore aggravante è data dal fatto che in queste condizioni le portate della carica fresca, proveniente dal carter pompa, sono notevoli ed il sistema di scarico non si trova nelle condizioni di accordatura, pertanto si vengono a sommare gli effetti “negativi” dovute alle onde di pressione (vedi paragrafo precedente).
Cattive combustioni e/o misfire che si manifestano ai bassi carichi quando la massa di gas residui è assai rilevante rispetto al totale della massa intrappolata; in queste condizioni i gas residui rallentano lo svolgimento della combustione e, nei casi più estremi, provocano mancate accensioni (misfire). Ovviamente quando ha luogo una mancata accensione viene espulsa carica fresca, incrementando così gli HC.
Monossido di carbonio (CO). Fondamentalmente questo è il frutto della ossidazione parziale degli idrocarburi e, nei gas prodotti dalla combustione di miscele ricche, esso è presente in misura notevole perché la quantità di ossigeno non è sufficiente a ossidare completamente il carbonio presente, mentre nelle miscele magre è presente anche se in misura inferiore, a causa del fenomeno della dissociazione del CO2 in CO
causato dall’alta temperatura. Il CO è presente anche ai bassi carichi a causa dell’alta concentrazione di gas combusti nel cilindro a fine fase di lavaggio, che rallentano la combustione del ciclo successivo e non danno così tempo al carbonio di ossidarsi completamente.
Presenza di lubrificante allo scarico. Nei motori due tempi a carter pompa la lubrificazione è a “perdere”, infatti l’olio, mescolato con l’aria e la benzina, passa attraverso i componenti da lubrificare e poi viene bruciato ed espulso dal cilindro.
Questi aspetti negativi hanno storicamente decretato il progressivo accantonamento del 2T ad A.C. a favore del motore a 4T che permette un controllo maggiore sul ricambio della carica. Solo l’adozione di sistemi di iniezione diretta del combustibile, abbinati alla stratificazione della carica, possono permettere la sopravvivenza del motore a 2T nel panorama motociclistico mondiale.
