Come funziona il motore a scoppio 2 e 4 tempi

Nel precedente articolo avevamo trattato riguardo l'invenzione e la storia delle motociclette. Oggi parliamo del funzionamento dei nostri amati motori a scoppio.
I motori delle nostre moto, sia che siano a due o quattro tempi, utilizzano come carburante la benzina e l'accensione avviene tramite scintilla.
Nel descrivere il funzionamento di un motore a scoppio generico, prendiamo come esempio un motore quattro tempi, monocilindrico verticale dotato di solo due valvole: una di aspirazione e una di scarico. Distinguiamo organi fissi e organi mobili.
Organi fissi:

Il motore a scoppio - immagine estratta dal web

• Basamento: accoglie le componenti del manovellismo, gli alloggiamenti per i cuscinetti di banco che supportano l'albero a gomito;
• Cilindro: fissato tra il basamento e la testa, accoglie al suo interno il pistone;
• Testa: accoglie le valvole con le relative molle e tutti gli organi necessari per il loro funzionamento oltre ai condotti di aspirazione, ai condotti di scarico e alla camera di combustione.

Organi mobili, sono collocati all'interno degli organi fissi:

• Albero a gomito;
• Biella: montata tramite cuscinetto sul perno di manovella dell'albero a gomito e al piede per mezzo di un perno tubolare detto spinotto;
• Pistone: presenta un ridotto gioco che conferisce piena libertà di movimento;
• Organi della distribuzione: le valvole che regolano il passaggio dei gas funzionando in maniera alternata, una aperta durante la fase di aspirazione e chiusa durante quella di scarico, l'altra chiusa durante l'aspirazione e aperta durante lo scarico (mentre entrambe sono chiuse durante la fase di compressione ed espansione), l'albero a camme, i bilancieri e/o punterie.

La testa dei motori a due tempi è più rudimentale e si presenta come una sorta di "coperchio": non accoglie nessun organo mobile e non ospita i condotti di aspirazione e di scarico.
Nel cilindro invece sono ricavati i condotti di travaso, i condotti di scarico e talvolta il condotto di aspirazione e la superficie interna presenta una serie di aperture dette luci.

CICLO A QUATTRO TEMPI

PMS e PMI di un motore a scoppio - immagine estratta dal web

In questa tipologia di motore un ciclo completo è composto da quattro fasi che si susseguono e si ripetono e, in ordine, sono: aspirazione, compressione, espansione e scarico. Al termine del ciclo si sono svolti "due giri" dell'albero a gomito che compie quindi 720° di rotazione.

1. Aspirazione: il pistone inizialmente al PMS (Punto Morto Superiore) scendo fino al PMI (Punto Morto Inferiore) causando all'interno del cilindro una depressione che, man mano che la valvola di aspirazione si apre, richiama la miscela aria-carburante dal condotto di aspirazione (0-180°);
2. Compressione: ora il pistone si trova al PMI e sale verso il PMS comprimendo la miscela aria-carburante provando un aumento di pressione (oltre i 20 bar) e di temperatura (380-500 °C) nella camera di combustione (180-360°);
3. Espansione: una volta che la miscela è compressa, gli elettrodi della candela provocano una scintilla che accende la miscela aria-benzina dando inizio alla combustione che produce calore e che quindi provoca un aumento di temperatura e di conseguenza di pressione (oltre gli 85 bar). Il pistone viene spinto dalla pressione dei gas dal PMS al PMI (360-540°);
4. Scarico: il pistone si trova nuovamente al PMI, in questa fase sale al PMS per espellere i gas combusti attraverso la valvola di scarico e completando la seconda rotazione (540-720°)

La fase di espansione è l'unica fase del ciclo "utile" in quanto viene fornita energia meccanica all'albero a gomiti.

Fasi del motore a scoppio 4 tempi - immagine estratta dal web

CICLO A DUE TEMPI
I motori a due tempi hanno i loro punti di forza nella grande semplicità costruttiva, nella compattezza, nel peso assai limitato in relazione alla cilindrata e nella potenza specifica altissima che possono fornire. I punti deboli, d'altro canto, sono costituiti da un consumo molto alto, relativamente alla potenza fornita, e da emissioni di scarico tanto elevate da risultare assolutamente inammissibili a meno di fare ricorso ad un sistema di iniezione diretta. Anche la durata di vita è minore rispetto a quella che possono garantire i motori a quattro tempi. Nei motori a due tempi l'aspirazione non ha luogo nel cilindro ma all'interno della camera di manovella, ovvero nel vano del basamento nel quale ruota l'albero a gomito. Dopo essere stata aspirata in tale camera (spesso si parla di carter-pompa), la miscela aria-carburante viene inviata alla parte superiore del cilindro tramite i condotti di travaso. Il motore può quindi essere considerato come costituito da due parti: quella al di sotto del pistone funge da pompa mentre in quella superiore si svolgono le quattro fasi del ciclo.

Luci del cilindro - Immagine estratta dal web

A differenza di quanto accade nei motori a quattro tempi, in questo caso le fasi hanno luogo tutte in un solo giro dell'albero a gomito, ovvero in 360° di rotazione dell'albero.
Il ciclo si svolge schematicamente come segue:

1. Il pistone sale dal PMI al PMS: nella camera di manovella si crea una depressione che richiama miscela fresca (aria proveniente dall'esterno alla quale, nel carburatore, si aggiunge la benzina). Nella parte superiore del cilindro il pistone, mentre sale, chiude le luci di travaso e subito dopo anche quella di scarico (che è posto un po' più in alto) e progressivamente comprima la miscela aria-carburante che era entrata in precedenza dai travasi stessi;
2. Il pistone scende dal PMS al PMI: sopra il pistone ha luogo la combustione, seguita dalla fase di espansione (durante la quale il pistone stesso viene spinto vigorosamente verso il PMI). Ad un certo punto il margine superiore del pistone scopre la luce di scarico e i gas combusti iniziano a fuoriuscire dal cilindro. Contemporaneamente nel carter-pompa la discesa del pistone determina una diminuzione del volume a disposizione dei gas freschi, ovvero una "decompressione". Poco dopo, avvicinandosi ulteriormente al PMI, il pistone scopre anche le luci di travaso e la miscela aria-carburante passa dal carter-pompa nel cilindro, ove prende il posto dei gas combusti (che in una certa misura contribuisce ad espellere); per questa ragione si parla anche di "lavaggio" del cilindro (da parte dei gas freschi).

LAMELLE E TRAVASI
È evidente che nei motori a due tempi il condotto d'aspirazione, che collega il carburatore con la camera di manovella, deve essere dotato di una valvola (o di un sistema di valvole) in grado di consentire oppure impedire il passaggio dei gas freschi nei momenti opportuni del ciclo. In caso contrario, infatti, il carter non potrebbe funzionare come una pompa. Nella maggior parte dei motori si impiega una valvola a lamelle, unidirezionale e a funzionamento automatico. Solo in alcune realizzazioni da competizione si utilizza una valvola a disco rotante.
Molto importante ai fini delle prestazioni sono anche il numero e la disposizione delle luci di travaso. In genere sono cinque (quattro laterali più grandi "di portata" ed una più piccola "di correzione" piazzata di fronte alla luce di scarico). Il lavaggio è tutt'altro che perfetto e causa inevitabilmente considerevoli perdite di miscela fresca allo scarico (deleterie ai fini del consumo e dell'inquinamento) e al tempo stesso una notevole quantità di gas combusti che non vengono espulsi ma restano all'interno del cilindro.
Nei motori a due tempi ad altissime prestazioni assume un'importanza fondamentale il sistema di scarico a camera di espansione che consente di sfruttare al meglio le onde di pressione ai fini del riempimento del cilindro da parte della miscela fresca.

Lamelle - immagine estratta dal web

L'articolo è stato parzialmente tratto da "Manuale della moto" di Massimo Clarke, Mondadori.

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See you soon on the road,

Jack