I motori a due tempi: semplici ed efficienti, ma non esattamente ecologici

Guardando alla storia dei motori a due tempi, risulta incredibile che questo tipo di propulsore abbia trovato la sua strada nelle automobili e, in un certo periodo, abbia persino gareggiato con i motori a quattro tempi per la leadership nel mercato automobilistico. Una domanda interessante è se i motori a due tempi, avessero vinto, avrebbero potuto rispettare gli attuali standard di emissioni restrittivi, cosa che sarebbe risultata impossibile per queste unità.

Nell’articolo di oggi parleremo di come funziona un motore a due tempi, spiegheremo perché è stato soppiantato da un motore a quattro tempi e se avrà mai la possibilità di tornare alla ribalta.

Una breve storia dei motori a due tempi

Il primo vero motore a due tempi fu creato dall’ingegnere e inventore scozzese Sir Dugald Clerk nel 1878 e brevettato nel 1881. Il prototipo differiva in modo significativo dalle unità odierne di questo tipo, poiché aveva un cilindro di compressione separato.

Meno di un decennio dopo, l’ingegnere inglese Joseph Day sviluppò il primo blocco motore a due tempi con precompressione nel basamento. È interessante notare che un dipendente di questo ingegnere, Frederic William Caswell Cock, sviluppò nel 1894 un meccanismo per controllare l’aspirazione e lo scarico della miscela di carburante da parte del pistone del motore, avvicinando così la sua invenzione alla macchina che conosciamo oggi.

La produzione in serie è iniziata all’inizio del 20° secolo, e il motore a due tempi guadagnò rapidamente grande popolarità tra i motociclisti, anche se le case automobilistiche erano meno entusiaste. Dopo che i motori a due tempi conquistarono Gran Bretagna, Germania e Austria, iniziarono ad essere utilizzati nei prodotti di Zündapp, DKW e Puch.

Fino agli anni ’30, i motori a due tempi funzionavano con perdite elevate indipendentemente dal design, sebbene fornissero prestazioni eccellenti sotto altri aspetti.

Questo problema è stato risolto dall’invenzione di Adolf Schürle, il cosiddetto sistema di post-trattamento in co-corrente, sviluppato principalmente per motori diesel a due tempi. I diritti di brevetto esclusivi sono stati acquisiti da DKW, che le ha conferito il monopolio sulla tecnologia fino alla scadenza dei diritti di brevetto.

La successiva grande svolta arrivò negli anni ’50, quando si scoprì come utilizzare le oscillazioni e le onde di pressione dei gas per comprimerli in modo più efficiente. Il principio della camera di espansione nel sistema di scarico, noto anche come camera di risonanza, era noto già negli anni ’30, e alla fine degli anni ’50 questa soluzione innovativa aveva ottenuto buoni risultati nei motori da competizione MZ (ex IFA) sviluppati da East L’ingegnere tedesco Walter Kaaden.

Tuttavia, prima che MZ potesse davvero decollare, il dissidente Ernst Degner ha contrabbandato una motocicletta da corsa in Occidente, che è finita in possesso di Suzuki. Ciò ha naturalmente accelerato la diffusione dell’invenzione, ma si è rivelato un colpo mortale per MZ.

Design e principio di funzionamento

Se il ciclo di lavoro è costituito da due corse complete del pistone, che si verificano in un solo giro dell’albero motore, allora stiamo parlando di un motore a due tempi. Se il ciclo di lavoro è composto da quattro corse, abbiamo a che fare con un motore a quattro tempi.

Naturalmente, questo non significa che manchi qualcosa nel ciclo di lavoro di un motore a due tempi. Grazie all’utilizzo aggiuntivo di componenti come il basamento e il compressore, un motore a due tempi ottiene in due fasi ciò che un motore a quattro tempi fa in quattro.

Nei motori a due tempi compressione ed espansione sono i due tempi principali, oltre ai quali vi sono altre due attività, ovvero l’aspirazione e lo scarico.

Il motore a due tempi di Otto non ha valvole, a differenza della sua versione a quattro tempi. La miscela scorre dentro e fuori attraverso fessure o canali nelle pareti dei cilindri. Queste fessure vengono aperte e chiuse dal movimento del pistone, tipicamente i fori di scarico e spurgo sul bordo superiore e i fori di aspirazione sul bordo inferiore.

Anche il basamento è coinvolto nel lavoro, in cui il motore aspira una miscela fresca. Lì viene compresso e quindi scorre nella camera del cilindro attraverso un canale o una fessura.

Un indubbio vantaggio della struttura è la sua semplicità, dimensioni e peso ridotti, facilità d’uso e lunga durata. A parità di cilindrata e velocità di rotazione è in grado di erogare il 60-80% di potenza in più rispetto alla versione a quattro tempi.

Tuttavia, questi vantaggi sono accompagnati da un elevato consumo di carburante, bassa efficienza e notevoli emissioni di gas di scarico, che non possono essere ridotte nel caso di un motore a due tempi, quindi attualmente non ha alcuna possibilità pratica di essere utilizzato nelle autovetture. In passato, famosi marchi automobilistici hanno sperimentato questa fonte di alimentazione (Subaru, Saab, Suzuki, Auto Union, ecc.), ma ora tutte le aziende hanno smesso di produrli.

Motore diesel a due tempi

Va aggiunto che non esiste solo un motore a ciclo Otto, ma anche una versione diesel a due tempi. Questo motore completa anche un ciclo completo di lavoro in un giro dell’albero motore. In questo caso lo scambio di carica avviene in modo misto: aria fresca entra nella camera del cilindro attraverso feritoie coperte e scoperte dal pistone, ed i gas di scarico ne escono attraverso una o più valvole poste nella testata.

La differenza significativa è che nel caso di un motore diesel, l’aria non viene introdotta nella camera del cilindro attraverso il carter, ma attraverso un compressore meccanico (Roots blower) azionato dall’albero motore o da un meccanismo esterno.

Può sembrare sorprendente, ma il motore diesel a due tempi ha la potenza specifica più alta di qualsiasi motore a quattro e due tempi e il suo consumo di carburante è incredibilmente basso.

Allo stesso tempo, un tale motore ha una struttura relativamente complicata a causa di attrezzature aggiuntive, sebbene le unità a due tempi siano generalmente più semplici di quelle a quattro tempi. A questo si aggiunge il peso del compressore aggiuntivo, che assorbe parecchia potenza dal motore a medio carico, il che lo rende una soluzione meno economica.