Evoluzione del motore a combustione interna ad accensione comandata a due tempi

CAPITOLO. 1 -  FONDAMENTI TEORICI DEL CICLO A 
DUE TEMPI 
 
Introduzione 
 
Il 2007 è l'anno in cui le case motoristiche mondiali hanno cessato la produzione dei motori a due 
tempi a carburatore. Oggi la produzione mondiale di motori vede lo strapotere dei motori a quattro 
tempi,  in cui i giapponesi sono i veri leader di mercato,  e solo recentemente le case motoristiche 
americane e europee stanno cercando di colmare questo gap tecnologico. Basti pensare che un 
colosso come la Honda Motors corp. sempre nel 2007 ha dichiarato che per tutte le sue 
realizzazioni (dai veicoli terrestri agli utensili da giardino) non verranno più utilizzati motori a due 
tempi. Nel frattempo uno sparuto gruppo di costruttori  ha investito nello sviluppo di motori a due 
tempi di nuova concezione (due tempi ad iniezione diretta),  che sono in grado di soddisfare i nuovi 
requisisti ambientali,  che hanno decretato la morte del motore a due tempi tradizionale.  
 
Perché proporre ancora il motore a due tempi? 
 
La domanda sorge spontanea,  ma le motivazioni a favore sono notevoli: 
 
 minor ingombro a parità di potenza erogata rispetto ad un motore a quattro tempi (attorno 
al 30% in meno). Il che si traduce nella possibilità di trasportare più portata utile e di 
adottare un profilo aerodinamico migliore; 
 minor costo di produzione per il minor numero di componenti da assemblare e produrre; 
 adottando un buon sistema antinquinamento,  bassi consumi ed emissioni. 
 
A testimonianza di questa volontà di recupero di tale tipo di motore è interessante registrare che,  
in un paese emergente quale è l‟Indonesia,  il governo ha dato una forte spinta alla ricerca per 
produrre veicoli a basso consumo ed emissioni. Il frutto di tali ricerche è stata un‟automobile dotata 
di motore a tre cilindri a due tempi,  alimentato ad iniezione con sistema Orbital (che verrà esposto 
nei prossimi capitoli). Questo per placare in parte l‟ostracismo che c‟è stato negli anni dal 2006 ad 
oggi verso il “due tempi”.  
 
 Attraverso questa analisi si cercherà di comprendere perché i  “due tempi” di nuova generazione 
potrebbero avere ancora molto da dire in vari campi,  tra i quali in particolare quello motociclistico.  
 
Andremo,  pertanto,  ad analizzare tecnicamente le tipologie sviluppate dai vari costruttori per lo 
sviluppo dei nuovi motori a  due tempi ad iniezione diretta. Vi sono poi tutta una serie di progetti 
mirati a mantenere la fisionomia del “due tempi” attuale, e, tramite modifiche più discrete, farlo 
rientrare in tali norme restrittive.  
 
Si inizia l‟analisi dallo stato dell‟arte attuale. Il motore ad accensione comandata alimentato a 
benzina di tipo classico si dice a “due tempi” data la sovrapposizione delle fasi di travaso-
espulsione scarico e compressione-ammissione. Tale sovrapposizione rappresenta allo stesso 
tempo il grande pregio ed il difetto di questo ciclo. 
 
Notazioni e abbreviazioni: 
 
PMS= punto morto superiore. 
PMI= punto morto inferiore: 
pme= pressione media effettiva, parametro basilare per valutare la bontà di un ciclo.  
RC= rapporto di compressione geometrico. Viene calcolato in due modalità:
 Considerando il rapporto fra (cilindrata totale con il pistone al PMI+volume della camera di 
combustione)/ volume della camera di combustione. 
 Considerando il rapporto fra (cilindrata nel momento in cui il pistone chiude la luce di 
espulsione+volume della camera di combustione)/ volume della camera di combustione. 
Ia seconda modalità di calcolo considera che non può esserci compressione nel momento in 
cui sono ancora scoperte le luci o di espulsione o di travaso. 
In tutto l‟elaborato si intenderà per rapporto di compressione il rapporto calcolato nel primo 
modo. 
 
1.1 Principali vantaggi e  svantaggi 
 
Principali vantaggi: 
 
 Ogni due giri dell‟albero motore vi è una fase utile,  quindi nei confronti di un motore di pari 
cilindrata e pari frazionamento di ciclo quattro tempi il motore a due tempi presenta una 
potenza teorica doppia (nella realtà il vantaggio si riduce a circa un +30% per i motivi che 
seguono). La maggior potenza è da ricercare nella pme che,  essendoci una fase utile ogni 
due,  risulta doppia (teoricamente) rispetto ad un “quattro tempi” a parità di altre condizioni. 
 
 Essendo in numero minore gli organi in movimento si ha minor peso,  maggior rendimento 
meccanico,  spiccata capacità a raggiungere regimi elevati di rotazione senza problemi di 
sfarfallamento o risonanza tipici di motori a quattro tempi di elevata potenza specifica. 
 
Principali svantaggi:  
 
 La sovrapposizione delle fasi di travaso e scarico e l‟assenza di valvole presenta 
grossi problemi di perdita di carica fresca per cortocicuitazione  attraverso lo 
scarico. Vi è inoltre il grave problema di inquinamento della carica fresca da parte 
dei gas combusti. Questo fatto peggiora notevolmente il rendimento volumetrico 
aumentando i consumi di carburante e producendo allo scarico una grande 
presenza di idrocarburi incombusti. Il consumo specifico è la nota più caratteristica: 
motori a quattro tempi ad iniezione diretta: 185 gr/CV/h,  motori a due tempi a 
carburatori: 320 gr/CV/h. L‟ordine di grandezza è pari a quasi il doppio rispetto a un 
pari condizioni a quattro tempi. 
 
 Per semplicità costruttiva, soprattutto nelle piccole cilindrate,  la lubrificazione degli 
organi interni (imbiellaggio,  accoppiamento cilindro-pistone),  avviene per 
premiscelazione di opportuni oli sintetici,  additivati con molecole polimeriche 
gommose,  e con la benzina direttamente all‟atto del rifornimento. Questo comporta 
che nella combustione non prende parte solo la miscela aria-benzina ma anche 
l‟olio in quest‟ultima contenuto. Il risultato è un peggioramento delle condizioni di 
combustione e la presenza nello scarico di particelle gommose ed oleose incrostanti 
per i dispositivi a valle dello scarico. Tali molecole sono inoltre molto inquinanti. La 
lubrificazione per miscelazione presenta inoltre un altro svantaggio: la maggiore 
aggressività della benzina “verde” (la sostituzione del piombo tetraetile con 
aromatici derivati dal petrolio) provoca un una rapida decomposizione delle catene 
polimeriche con un rapido scadimento del potere lubrificante e protettivo dell‟olio. 
Ricerche effettuate (dalla Suzuki Japan) hanno evidenziato come già dopo soli 
quattro giorni la quantità di olio si abbassi in media di qualche frazione di punto 
percentuale, il che dovrebbe far riflettere dato che la percentuale di miscelazione va 
da 2% al 3%. Da qui l‟impossibilità di stoccaggio di quantità di carburante 
premiscelato.  
 
Introdotti i principali aspetti di questo tipo di motore si vanno ad analizzare le varie fasi 
(precisazione: si considerano in questo caso le fasi di un “due tempi” semplice con ammissione 
controllata dal pistone (piston port) anche detta  “ammissione in terza luce”):
1.2 Descrizione delle fasi 
 
 
Fig 1.1 – Schematizzazione del percorsi effettuati dai flussi entranti ed uscenti durante le varie fasi 
di funzionamento di un motore a due tempi semplice con ammissione regolata dal pistone.  
 
a)  Inizio fase di compressione: il pistone sta coprendo l‟ultima porzione della luce di espulsione, le 
ultime quantità di gas combusti fluiscono attraverso la luce. 
b)  Fase di compressione: tutte le luci sono ostruite dal pistone. La carica fresca inizia ad essere 
compressa. 
c)  Fine compressione ed accensione: simmetricamente la miscela fresca è richiamata nel carter 
dalla depressione che si è venuta a creare. 
d)  Inizio fase di espulsione: il pistone sotto la spinta dei gas in espansione si abbassa e inizia a 
scoprire la luce di espulsione, i gas combusti fluiscono verso l‟esterno. La miscela fresca è 
richiamata a salire lungo i travasi dalla sovrapressione nel carter. 
e)  Incrocio delle fasi di travaso ed espulsione: in questo momento gas freschi e combusti 
interagiscono a vicenda con fenomeni di interazione. 
d)  Il ciclo ricomincia chiudendo la luce di espulsione. 
 
Nel basamento si hanno due tempi di funzionamento: 
 
1° tempo: chiuse le luci di lavaggio il pistone genera una depressione nel basamento 
richiamandovi la miscela fresca. 
2° tempo: nella sua corsa il pistone comprime la miscela fresca nel basamento facendola risalire 
lungo i travasi [3]. 
 
 AMMISSIONE: 
 
Il pistone sta risalendo,  le luci di travaso sono chiuse,  in camera di manovella si crea una 
depressione data dal movimento della biella verso l‟alto. La miscela aria-benzina penetra nel 
carter-pompa attraverso il condotto di aspirazione. Tale condotto di aspirazione,  nella applicazioni
più datate,  è posto sul cilindro. La miscela in questo caso viene richiamata nel carter tramite una 
apertura posta sul pistone,  che nella sua corsa si trova a coincidere con quella posta sul mantello 
del cilindro. Tale sistema ha l‟inconveniente di costringere la miscela fresca a percorrere un 
percorso più lungo,  con conseguente perdita di carico. Nelle applicazioni più recenti,  dotate di 
valvole lamellari che regolano il flusso in ingresso, il condotto può essere posto più 
convenientemente in prossimità del vano del carter-pompa, a minimizzare le perdite di carico. 
Importante è notare che la parte inferiore del motore non svolge semplicemente il ruolo di chiusura 
inferiore, ma funge da vera e propria pompa di lavaggio entro la quale transita la miscela. Il 
rapporto tra la cilindrata di tale pompa e quella del motore assume un valore ben preciso e 
caratterizzante per le prestazioni finali del suddetto. Per questo motivo dopo anni di 
sperimentazione del rapporto del volume del carter-pompa in funzione della cilindrata si è 
raggiunto un valore fisso di rapporto fra volume totale del carter pompa con il pistone al PMS e 
quello con pistone al PMI di 1,5:1. 
 
 
 
COMPRESSIONE: 
 
Simmetricamente alla fase di ammissione nella parte alta del motore,  lo stantuffo che ha coperto 
le luci di travaso e scarico inizia la compressione della carica fresca. Raggiunta una distanza 
prefissata dal PMS scocca la scintilla tra i due elettrodi della candela posta sulla testata del 
cilindro. La carica fresca inizia ad incendiarsi ma la spinta dei gas non è ancora vigorosa e il 
pistone  raggiunge il PMS. A questo punto il fronte di fiamma ha coinvolto tutta la carica e sul cielo 
del pistone si verifica un picco di pressione che provoca l‟espansione e quindi la fase utile. Il valore 
principe che caratterizza non solo la compressione, ma anche l‟erogazione, è il rapporto di 
compressione (RC). Esso è definito come il volume generato dal pistone, sommato al volume 
delimitato dal pistone al PMS e la candela (volume della testata), diviso il volume generato dal 
pistone. Legato a questo valore è il problema della preaccensione della miscela. Solitamente nei 
motori commerciali assume un valore di 13:1 per piccoli motori 50 cm
3
, e decresce all‟aumentare 
della cilindrata. Nei motori più spinti si può toccare i 15:1. All‟ aumentare dell‟RC si rischia sempre 
più di incorrere nei problemi prima citati. Infatti, più la miscela fresca viene compressa, più l‟aria 
contenuta al suo interno si scalda fino a provocare la combustione spontanea del carburante. 
Questo fa si che la combustione non avvenga con l‟anticipo ottimale, provocando un improvviso e 
violento picco di pressione. Questo può essere causa di gravi danni all‟interno del motore, unito ad 
un funzionamento irregolare.  
 
ESPANSIONE: 
 
Costituisce la fase utile: poco prima che il pistone raggiunga il PMS scocca la scintilla tra gli 
elettrodi della candela. La combustione inizia, e quando il pistone ha raggiunto il PMS essa ha 
coinvolto tutta la miscela presente nella testa. I gas combusti iniziano ad espandersi a la pressione 
sale 
Lo stantuffo scende sotto la spinta dei gas in espansione, fino a scoprire per prima la luce di 
scarico. I gas iniziano a fluire attraverso il condotto di scarico, ma la spinta non si esaurisce e nella 
sua discesa il pistone poi scopre le luci di travaso. 
 
TRAVASO:
Fig1.2- Schematizzazione del percorso dei flussi durante il processo di lavaggio. La massa di 
miscela fresca m
a
 si miscela con parte dei residui m
r 
andando a formare la massa totale m
m 
. 
Questo ad un determinato istante t. Considerando che sia trascorso un certo istante dt si osserva 
che dalla luce di travaso è entrata una quantità infinitesima dm
1 
ma dalla luce di espulsione è 
uscita una certa massa dm
m
 e quindi anche una certa parte di dm
a
 di miscela fresca. Ecco quindi il 
grave problema della cortocicuitazione [3].  
 
I sistemi che inducono il cosiddetto “lavaggio” nel motore a due tempi sono principalmente due: 
 
 Lavaggio unidirezionale: consiste nel dividere fisicamente la fase di espulsione da quella di 
travaso tramite valvole di tipo lamellare o a fungo. Si dice appunto unidirezionale, perché la 
portata di miscela fresca segue un percorso in linea retta all‟interno del motore. Non vi è 
quindi l‟utilizzo della parte inferiore del carter come pompa di lavaggio, ma si ricorre ad un 
compressore esterno mosso dal motore esterno. Non vi sono i travasi perché la carica 
fresca viene inviata direttamente dal compressore. La fase di espulsione solitamente è 
ancora controllata dal pistone tramite luce di scarico. Tale soluzione è utilizzata in campo 
marino nei grandi motori diesel a due tempi, con regimi di rotazione molto bassi, 
alimentazione ad iniezione, lavaggio mediante compressore a lobi o a palette, e 
manovellismo a testa di croce. Tali motori possiedono un rendimento di lavaggio molto 
elevato, essendo la portata inviata al cilindro quasi totalmente trattenuta. Il rendimento 
globale si attesta a valori del 40-50%. Il rovescio di tale soluzione consiste nella perdita 
della semplicità costruttiva tipica del due tempi. Inoltre l‟applicazione di tale sistema trova 
sbocco nei grandi motori perché nelle piccole e medie applicazioni le perdite dovute 
all‟attrito e all‟inerzia di tutti gli organi utilizzati per il lavaggio unidirezionale superano i 
benefici che esso offre. 
 
 
 Lavaggio a correnti tangenziali (a tre luci): la miscela fresca subisce una aspirazione nel 
carter-pompa, e successivamente, all‟abbassarsi del pistone, subisce una 
precompressione che  costringe il fluido contenuto nel basamento a risalire lungo i travasi. I 
travasi sfociano lungo la circonferenza del cilindro, quindi i flussi provenienti dal carter si 
incontrano sopra il cielo del pistone e si uniscono in prossimità della camera di 
combustione. Solitamente, nelle applicazioni più semplici (ammissione regolata dal 
pistone), i condotti di  travaso sono due. Nelle applicazioni più recenti, con la presenza di 
un sistema di ammissione a valvola lamellare che sfocia direttamente nel carter, i condotti 
possono essere addirittura sei, più un settimo di fronte ed opposto alla luce di espulsione.
Quest‟ultimo ha la funzione di mettere in comunicazione l‟alloggiamento della valvola 
lamellare con la camera di combustione, per poter sfruttare le onde di pressione provenienti 
dallo scarico ed anticipare l‟apertura della valvola (si veda “sistemi di ammissione”). Inoltre 
tale condotto funziona anche da condotto di travaso vero e proprio; esso però, per evitare 
la completa cortocicuitazione della sua portata attraverso la luce di scarico, ha un angolo di 
uscita molto alto, rivolto verso il centro della camera di combustione. Il flusso che ne esce è 
forzato a rimanere aderente alla parete del cilindro,  lambendo la parte superiore della 
testata  e la candela (fenomeno fluidodinamico detto “effetto Coanda”). Si cerca di 
indirizzare i getti uscenti dalle luci sempre verso il lato freddo, opposto alla luce di 
espulsione. Attualmente la tendenza è di aumentare il numero di condotti di travaso. La 
tendenza ad aumentare il numero di travasi e quindi l‟area di passaggio ha influenzato 
anche le misure di corsa ed alesaggio. In passato si privilegiavano manovellismi a corsa 
lunga per evitare elevati angoli tra biella e manovella e per permettere geometrie della 
testata abbastanza raccolte. Attualmente si è giunti a manovellismi quadri o superquadri 
(l‟alesaggio eguaglia la corsa o addirittura la supera) per poter aumentare l‟area di travaso 
e di espulsione. La soluzione ha inoltre il pregio di imporre una minore velocità media del 
pistone e quindi di raggiungere regimi di rotazione più elevati.  
Tale sistema di lavaggio ha come pregio l‟elevata semplicità costruttiva e l‟attitudine a 
raggiungere elevati regimi di rotazione. Per contro, non essendoci un separazione fisica tra 
gas combusti e miscela fresca, si formano dei mescolamenti fra i due. Il problema più grave 
è che parte della miscela esce dallo scarico (cortocircuitazione) e parte dei gas combusti 
rimangono intrappolati in camera di combustione, rendendo la combustione stessa non 
ottimale. Il rendimento di lavaggio si presenta non buono perché, come è deducibile, la 
portata effettivamente trattenuta è molto poca a fronte di quella inviata. Questa è anche la 
causa per cui il consumo specifico di un motore a due tempi è molto più elevato di un pari 
condizioni a quattro tempi. E‟ però opportuna una precisazione,  in quanto in verità i motori 
a due tempi avrebbero un'economia di consumi migliore rispetto ad un quattro tempi, se 
non esistesse il problema sopra citato di perdita di portata inviata dal condotto di 
espulsione . 
Il problema della cortocicuitazione è così grave che la perdita di miscela fresca può arrivare 
a picchi del 70% del totale inviato [6].  
 
 Lavaggio a correnti tangenziali (a due luci): è il primo sistema utilizzato per  la fase di 
lavaggio nei motori due tempi. Non è dotato di condotti di travaso ma esclusivamente di 
due luci,  una di scarico, l‟altra di aspirazione, opposte tra loro. Per tenere separati i flussi 
uscenti dei gas combusti e la miscela fresca in entrata,  si è ricorsi a pistoni dotati di 
deflettore. Tale soluzione presenta tuttavia molti inconvenienti, tra i quali: l‟aggravio di peso 
su un organo in moto alterno quale è il pistone, l‟impossibilità di ottenere una forma 
efficiente della testata.