Che cosa è un motore a due tempi?

Un motore a due tempi è un tipo di motore a combustione interna che completa un ciclo di potenza con due colpi del pistone durante un solo giro dell’albero motore. Questo è in contrasto con un “motore a quattro tempi”, che richiede quattro colpi del pistone per completare un ciclo di potenza durante due giri dell’albero motore.

In un motore a due tempi, la fine della corsa di combustione e l’inizio della corsa di compressione avvengono simultaneamente, con le funzioni di aspirazione e scarico che si verificano contemporaneamente.

I motori a due tempi hanno spesso un elevato rapporto potenza-peso, essendo la potenza disponibile in una ristretta gamma di velocità di rotazione chiamata “banda di potenza”. Rispetto ai motori a quattro tempi, i motori a due tempi hanno un numero notevolmente ridotto di parti mobili.

Storia del motore a due tempi

Il primo motore commerciale a due tempi con compressione in cilindro è attribuito all’ingegnere scozzese Dugald Clerk, che brevettò il suo progetto nel 1881. Tuttavia, a differenza dei successivi motori a due tempi, il suo aveva un cilindro di ricarica separato.

Il motore spazzato dal carter, che impiega l’area sotto il pistone come pompa di ricarica, è generalmente accreditato all’inglese Joseph Day. Il 31 dicembre 1879, l’inventore tedesco Karl Benz produsse un motore a gas a due tempi, per il quale ricevette un brevetto nel 1880 in Germania.

La prima è veramente pratico motore a due tempi è attribuita a Yorkshireman Alfred Angas Scott, che ha iniziato a produrre bicilindrico, raffreddato ad acqua, moto, nel 1908.

Le versioni a benzina (accensione a scintilla) sono particolarmente utili in applicazioni leggere o portatili come motoseghe e motocicli.

Tuttavia, quando il peso e le dimensioni non sono un problema, il potenziale del ciclo per un’elevata efficienza termodinamica lo rende ideale per i motori ad accensione spontanea diesel che operano in applicazioni di grandi dimensioni, insensibili al peso, come la propulsione marina, le locomotive ferroviarie e la generazione di elettricità.

In un motore a due tempi, i gas di scarico trasferiscono meno calore al sistema di raffreddamento di un quattro tempi, il che significa più energia per guidare il pistone e, se presente, un turbocompressore.

Come funziona un motore a due tempi?

Come suggerisce il nome, il motore a due tempi richiede solo movimenti a due pistoni (un ciclo) per generare potenza. Il motore è in grado di produrre energia dopo un ciclo perché lo scarico e l’aspirazione del gas avvengono simultaneamente.

C’è una valvola per la corsa di aspirazione che si apre e si chiude a causa di pressioni variabili. Inoltre, a causa del suo frequente contatto con componenti in movimento, il carburante viene miscelato con olio per aggiungere lubrificazione, consentendo corse più lisce.

Nel complesso, un motore a due tempi contiene due processi:

• Corsa di compressione: la porta di ingresso si apre, la miscela aria-carburante entra nella camera e il pistone si muove verso l’alto comprimendo questa miscela. Una candela accende il carburante compresso e inizia la corsa di potenza.
• Corsa di potenza: il gas riscaldato esercita un’alta pressione sul pistone, il pistone si muove verso il basso (espansione), il calore di scarto è esaurito.

L’efficienza termica di questi motori a benzina varia a seconda del modello e del design del veicolo. Tuttavia, in generale, i motori a benzina convertono il 20% dell’energia (chimica) del carburante in energia meccanica, in cui solo il 15% verrà utilizzato per spostare le ruote (il resto viene perso per attrito e altri elementi meccanici).

Rispetto ai motori a quattro tempi, due tempi sono più leggeri, più efficienti, hanno la possibilità di utilizzare carburante di qualità inferiore e più economico. Pertanto, i motori più leggeri si traducono in un rapporto potenza-peso più elevato (più potenza per meno peso).

Tuttavia, mancano della manovrabilità possibile nei motori a quattro tempi e richiedono una maggiore lubrificazione. Questo rende un motore a due tempi ideale per le navi (bisogno di trasportare un sacco di carico), moto, e prati falciatrici-mentre un quattro tempi sarebbe l’ideale per automobili come automobili e camion.

Costruzione di un motore a due tempi

• Pistone: il pistone trasferisce la forza di espansione dei gas alla rotazione meccanica dell’albero motore attraverso una biella.
• Albero motore: converte il movimento alternativo in movimento rotatorio.
• Biella: trasferisce il movimento da un pistone ad un albero motore e funge da braccio di leva.
• Volano: è un dispositivo meccanico che viene utilizzato per immagazzinare energia.
• Candela: eroga corrente elettrica alla camera di combustione e a sua volta accende la miscela aria-carburante che porta alla brusca espansione dei gas.
• Contrappeso: Il contrappeso sull’albero motore viene utilizzato per ridurre le vibrazioni dovute a squilibri nel gruppo rotante.
• Porte di ingresso e di uscita: queste porte consentono all’aria fresca con carburante di entrare e uscire dal cilindro.

Tipi di motore a due tempi

Il dettaglio meccanico di vari motori a due tempi differisce a seconda del tipo. I tipi di progettazione variano in base al metodo di introduzione della carica al cilindro, al metodo di scavenging del cilindro e al metodo di esaurimento del cilindro.

1. Porta di ingresso controllata dal pistone.
2. Valvola di ingresso reed.
3. Valvola di aspirazione rotante.
4. Scavenging a flusso incrociato.
5. Scavenging del ciclo.
6. Scavenging Uniflow.
7. Motore a pistoni a gradini.

Porta di ingresso a pistone controllato

Porta pistone è il più semplice dei disegni e il più comune nei piccoli motori a due tempi. Tutte le funzioni sono controllate esclusivamente dal pistone che copre e scopre le porte mentre si muove su e giù nel cilindro.

Nel 1970, Yamaha ha elaborato alcuni principi di base per questo sistema. Hanno scoperto che, in generale, l’allargamento di una porta di scarico aumenta la potenza della stessa quantità di sollevamento della porta, ma la banda di potenza non si restringe come quando la porta viene sollevata.

Valvola di ingresso Reed

La valvola lamellare è una forma semplice ma altamente efficace di valvola di ritegno comunemente montata nel tratto di aspirazione della porta controllata dal pistone. Consente l’assunzione asimmetrica della carica del carburante, migliorando la potenza e l’economia mentre si allarga la banda di potenza. Tali valvole sono ampiamente utilizzate in motocicli, ATV e motori fuoribordo marini.

Valvola di aspirazione rotativa

La via di aspirazione viene aperta e chiusa da un elemento rotante. Un tipo familiare a volte visto su piccole motociclette è un disco scanalato attaccato all’albero motore, che copre e scopre un’apertura alla fine del carter, consentendo alla carica di entrare durante una porzione del ciclo (chiamata valvola a disco).

Un’altra forma di valvola di aspirazione rotativa utilizzata sui motori a due tempi impiega due elementi cilindrici con ritagli adatti disposti a ruotare l’uno all’interno dell’altro-il tubo di ingresso ha passaggio al carter solo quando i due ritagli coincidono.

L’albero motore stesso può formare uno dei membri, come nella maggior parte dei motori modello glow-plug. In un’altra versione, il disco della manovella è disposto per essere un adattamento a distanza ravvicinata nel carter ed è dotato di un ritaglio che si allinea con un passaggio di ingresso nella parete del carter al momento opportuno, come negli scooter Vespa.

Scavenging a flusso incrociato

In un motore a flusso incrociato, le porte di trasferimento e scarico si trovano sui lati opposti del cilindro e un deflettore sulla parte superiore del pistone dirige la carica di aspirazione fresca nella parte superiore del cilindro, spingendo il gas di scarico residuo sull’altro lato del deflettore e fuori dalla porta di scarico.

Loop scavenging

Questo metodo di scavenging utilizza porte di trasferimento accuratamente sagomate e posizionate per dirigere il flusso della miscela fresca verso la camera di combustione mentre entra nel cilindro. La miscela carburante/aria colpisce la testa del cilindro, quindi segue la curvatura della camera di combustione e quindi viene deviata verso il basso.

Ciò non solo impedisce alla miscela carburante/aria di uscire direttamente dalla porta di scarico, ma crea anche turbolenza vorticosa che migliora l’efficienza, la potenza e l’economia della combustione. Di solito, non è richiesto un deflettore a pistone, quindi questo approccio ha un netto vantaggio rispetto allo schema a flusso incrociato.

Lavaggio Uniflow

In un motore uniflow, la miscela, o “aria di carica” nel caso di un diesel, entra ad un’estremità del cilindro controllato dal pistone e lo scarico esce all’altra estremità controllata da una valvola di scarico o da un pistone. Il flusso di gas di lavaggio è, quindi, in una sola direzione, da qui il nome uniflow.

Motore a pistoni a gradini

Il pistone di questo motore è a forma di”cappello a cilindro”; la sezione superiore forma il cilindro regolare e la sezione inferiore svolge una funzione di scavenging. Le unità funzionano a coppie, con la metà inferiore di un pistone che carica una camera di combustione adiacente.

Applicazioni del motore a due tempi

• I motori a due tempi sono preferiti quando la semplicità meccanica, il peso leggero e l’elevato rapporto potenza-peso sono priorità di progettazione.
• Sono lubrificati con il metodo tradizionale di miscelazione dell’olio nel carburante, possono essere lavorati all’interno di qualsiasi orientamento in quanto non hanno un serbatoio dipendente dalla gravità. Questo li rende desiderabili per il loro uso in strumenti portatili come motoseghe.
• I motori a due tempi si trovano in applicazioni di propulsione su piccola scala come motocicli, ciclomotori e moto da cross.