Motore a due tempi

Il motore a due tempi è un tipo di motore a combustione interna, il quale viene alimentato da un impianto d'alimentazione e scarica i prodotti esauriti (gas di scarico) tramite un impianto di scarico. Fu inventato da Dugald Clerk nel 1876 (brevettato nel 1881).
Questo motore si differenzia dal più diffuso motore a quattro tempi principalmente per la differente alternanza delle fasi attive in relazione ai giri dell'albero motore: infatti se nel quattro tempi si ha una fase attiva per ogni due giri dell'albero, nel due tempi si ha una fase attiva (ovvero la fase in cui avviene la trasformazione effettiva dell'energia chimica in termica e dunque cinetica, detta anche espansione) per ogni giro completo dell'albero.

Caratteristiche

Strutturalmente il motore a due tempi, di norma, non presenta le classiche valvole d'aspirazione e scarico, sostituite dalle "luci", ovvero fenditure non circolari ricavate direttamente sul cilindro, aperte e chiuse dal moto alternato del pistone.
Una caratteristica che distingue il motore a due tempi (a parte i modelli con ammissione a disco rotante, e non considerando le esigenze dell'impianto elettrico di accensione) dal quattro tempi è quella di poter funzionare perfettamente in entrambi i sensi di rotazione. Questo è permesso dal fatto che le luci di scarico/travaso vengono aperte e chiuse dal pistone in maniera speculare rispetto al punto morto inferiore, dove la luce di scarico è la prima ad aprire e l'ultima a chiudere. Al contrario, nel 4 tempi la simmetricità non c'è perché deve essere aperta una soltanto delle due valvole (salvo il breve periodo dell'incrocio, in cui sono aperte entrambe), e tassativamente in modo asimmetrico rispetto al punto morto inferiore.
Un'altra caratteristica che distingue il motore a due tempi dal motore a quattro tempi è la "pompa di lavaggio" che permette l'immissione tramite una compressione dei gas, generalmente questa pompa è costituita dal carter pompa, dalla superficie interna del pistone e da un sistema di ammissione dei gas freschi, mentre in altri casi (motori diesel 2T a lavaggio unidirezionale) la pompa di lavaggio è invece una vera e propria pompa volumetrica, azionata solitamente dall'albero motore, mentre in alcuni casi si hanno dei turbocompressori, azionati dai gas di scarico, che aiutano il lavoro della suddetta pompa, non essendo possibile sostituirla completamente.

Valvole d'aspirazione

Motore di un modellino con immissione a manicotto rotante

Sono presenti solo nei motori con carter-pompa e l'ammissione dei gas freschi può avvenire attraverso quattro differenti dispositivi/modi:

• Piston port, questo tipo di comando avviene tramite l'apertura e chiusura da parte del pistone di una luce sul cilindro.
  Questo tipo d'aspirazione nel carter viene accompagnato dai travasi che vengono a loro volta governati dal pistone.
• Hiro Induction System, questo tipo di comando avviene tramite un sistema misto "Piston port" e "Valvola lamellare"
• Valvola a disco rotante o a manicotto rotante, questo tipo di comando avviene tramite l'apertura e chiusura da parte di un disco fenestrato o da parte dell'albero motore, di una luce sul carter motore, più raramente sul cilindro.
• Valvola lamellare, questo tipo di comando avviene tramite l'apertura e chiusura da parte di una o più lamelle poste su un supporto, che permettono il passaggio del flusso di miscela fresca tramite il cilindro o il carter motore.
  Questo tipo d'aspirazione nel carter viene accompagnato dai travasi che vengono a loro volta governati dal pistone.

Mentre quando non si adopera il sistema a carter pompa si utilizzano altri sistemi che sostituiscono la funzione del carter pompa, tali sistemi vengono normalmente impiegati sui motori a quattro tempi come soluzioni per la sovralimentazione ed in questo caso non è necessario adoperare alcun tipo di valvola in aspirazione.Valvole di lavaggio
Per il lavaggio, quindi sostituzione dei gas combusti con l'introduzione dei gas freschi si può avere:

• Luce, questo tipo di comando avviene con lo scorrimento del pistone che apre e chiude un condotto, che mette in comunicazione la pompa di lavaggio con il cilindro.
• Valvola a fungo, questo tipo di comando avviene tramite l'apertura e chiusura da parte di una valvola a fungo, del tutto simile a quella di un motore a quattro tempi, permettendo l'immissione della carica fresca direttamente nel cilindro, questo tipo di comando viene utilizzato per i motori Diesel a due tempi unidirezionali.
• Valvola a fodero, valvola che apre o chiude un condotto, esattamente come nel sistema a luci, ma permette di poter avere valori d'apertura e chiusura asimmetrici

Lubrificazione

Altra differenza dal motore a quattro tempi riguarda la lubrificazione interna:

• A perdere: il lubrificante viene trasportato dalla benzina su tutte le parti del motore
  • Miscelata: il lubrificante è aggiunto direttamente alla benzina, operazione che può essere manuale e quindi con l'aggiunta diretta dell'olio da parte del pilota il quale crea la miscela olio&benzina.
  • Separata: tramite il miscelatore, che può immettere l'olio o tramite il venturi del carburatore o tramite il collettore che collega il carburatore al cilindro o carter pompa; inoltre su questi modelli è presente una spia dell'olio per evitare che il serbatoio dell'olio si esaurisca.
• A bagno (Come nel 4T): per la maggior parte dei motori a ciclo unidirezionale, la lubrificazione è esattamente come in un normalissimo motore a 4T e può essere a carter umido o carter secco.

Funzionamento/fasi del ciclo

Diagramma della Distribuzione di un motore 2T
1=PMS
2=PM A: Lavaggio
B: Scarico
C: Compressione
D: Espansione

Diagramma della Distribuzione di un motore 2T unidirezionale
1=PMS
2=PMI
A: Lavaggio
B: Scarico
C: Compressione
D: Espansione

Il ciclo termodinamico del motore a due tempi, come noto, si sviluppa completamente in un'unica rotazione dell'albero motore, ma la successione completa delle varie fasi che interessano il fluido motore avviene nell'arco di 2 rotazioni, questo avviene perché il pistone svolge una doppia funzione, come meglio spiegato qui di seguito.

Aspirazione

Il pistone, in salita verso il PMS (Punto Morto Superiore), crea una depressione nel carter pompa, e contemporaneamente apre la luce di aspirazione. Nel caso del piston port questa apertura avviene con fasatura simmetrica rispetto al punto morto superiore, con ovvii svantaggi, mentre nel caso della valvola rotante l'apertura ha una fasatura fissa, ma ottimizzata per il miglior rendimento in un certo campo di regimi di rotazione. È invece la depressione presente nel carter a provocare l'apertura automatica della valvola lamellare, con fasatura variabile. La depressione (0.2-0.4 bar) richiama la miscela (aria/benzina) fresca dalla luce di aspirazione immettendola nel carter pompa, che la porterà nel cilindro attraverso le luci di travaso nella fase successiva.

Pre-compressione e Lavaggio

Durante la discesa del pistone verso il PMI (Punto Morto Inferiore) avviene la compressione della miscela nel carter pompa, con un rapporto di compressione compreso tra 1,20:1 e 1,45:1. Nel momento in cui si aprono le luci di travaso, esaurita l'eventuale sovrappressione residua della fase di scarico, la miscela fresca aria-benzina entra nel cilindro anche grazie alla depressione generata dalla parte iniziale dell'impianto di scarico aiuta il travaso dei gas freschi, durante questa fase parte di questa miscela esce anche dalla luce di scarico, mista a gas combusti.

Compressione

Il pistone, risalendo dal Punto morto inferiore, occlude dapprima le luci di travaso, poi quelle di scarico. Fra queste due fasi può avvenire una prima compressione a causa dell'onda di pressione riflessa dal controcono dell'impianto di scarico, se questo è del tipo risonante (detto anche "ad espansione" per via della notevole variazione di sezione). In questo caso, una parte della miscela fresca rientra nel cilindro, anche se la quantità intrappolata nel cilindro è inferiore alla cilindrata, perché comunque sia è sempre presente una frazione di gas combusti.
Nella parte finale della compressione la carica fresca viene movimentata dall'anello di squish, se presente, generando una forte vorticosità che consente una combustione migliore ed un aumento del rendimento termodinamico.

Accensione ed Espansione

L'accensione, avviata da una candela, avviene con anticipi nettamente inferiori a quelli tipici del 4 tempi, nel caso del Motore ad accensione comandata, grazie alla forma più razionale della testa permessa dall'assenza delle valvole a fungo. L'eventuale presenza dell'area di squish consente di utilizzare rapporti di compressione molto elevati senza incorrere in fenomeni deleteri, come la detonazione, inoltre nel 2 tempi è possibile utilizzare un impianto di accensione ad anticipo costante senza una eccessiva perdita di rendimento.
Dopo il PMS (punto morto superiore) inizia l'espansione, che di fatto si interrompe al momento dell'apertura della luce di scarico, per via del brusco calo di pressione, questo fatto comunque sia non determina una perdita notevole di rendimento rispetto ad un motore a 4 tempi di pari cilindrata, visto che il motore a quattro tempi richiede un'apertura anticipata delle valvole di scarico, pressoché paragonabile al due tempi. Con il passare degli anni la luce di scarico dei due tempi si è via via ridotta, a favore di una sua estensione nel senso trasversale, in modo da guadagnare corsa utile e avere un rendimento sempre maggiore, del tutto paragonabile a quello dei quattro tempi.

Scarico

In fase di discesa il pistone scopre la luce di scarico. L'espulsione dei gas combusti avviene per semplice differenza di pressione, e non per l'azione di pompaggio del pistone come nel 4 tempi. Lo scarico risonante, se presente, rende più veloce questa fase, grazie alla depressione sviluppata dal primo tratto dello stesso, permettendo di ridurre l'altezza delle luci di scarico e aumentare il rendimento.
In alcuni casi (motori con aspirazione lamellare e condotto che collega direttamente il vano della valvola ai condotti di lavaggio) questa depressione può addirittura influire sul "rapporto di lavaggio", ovvero aumentare la quantità di gas freschi che entrano nel cilindro.

Pregi e difetti

Questo motore a seconda del tipo di ciclo utilizzato ha diversi pregi/difetti

Pregi principali

• Motore reversibile, (Esclusi i motori unidirezionali) questi motori possono ruotare in un verso o nell'altro senza che vi siano problemi di grippaggio per difetto di lubrificazione.
• Motore più leggero e maneggevole, dato le minori dimensioni e maggiore semplicità delle parti meccaniche necessarie al suo funzionamento.
• Motore inclinabile, come nel caso di motoseghe, etc. (Esclusi alcuni motori unidirezionali).
• Affidabilità maggiore, avendo meno parti mobili per il suo funzionamento è soggetto a un numero inferiore di fenomeni, il che ne migliora l'affidabilità
  • Minor rischio di grippature in confronto ai motori a quattro tempi con lubrificazione a carter umido.
• Risposta più "scattante" e rapida, dovuto al fatto che si ha un'accensione a ogni giro invece che ogni due, dimezzando di fatto il tempo di risposta (questo è valido a parità di regime e di unità termiche).

Difetti principali

• Emissioni di gas supertossici (esclusi la maggior parte dei motore a cicli unidirezionali), dovuto alla combustione di benzina e olio, problema analogo al motore diesel.
• Minor rendimento termodinamico (esclusi i cicli unidirezionali), dovuto a una durata della fase di scarico-travaso, dove si ha la fuoriuscita di una parte della miscela fresca (dispersione di parte della carica fresca).
  • Consumo specifico più elevato (esclusi i cicli unidirezionali), soprattutto in confronto ai motori ad iniezione diretta e dovuto alla perdita di carica fresca dallo scarico.
• Costi dell'olio lubrificante (esclusi la maggior parte dei motore a cicli unidirezionali)