LA RIDUZIONE DEI CONSUMI E DELLE
EMISSIONI INQUINANTI NEI
2 TEMPI PER USO MOTOCICLISTICO

Tratteremo delle modalità di risoluzione dei problemi del motore a 2 tempi permesse da modalità di alimentazione del carburante di tipo innovativo.
Sappiamo che non è possibile impedire che una parte della carica fresca fuoriesca dallo scarico durante il lavaggio. Adottando uno scarico risonante opportuno (ad esempio marmitta ad espansione con controcono e spillo), si può ridurre tale fenomeno.
Purtroppo questo tipo di impianto di scarico può fornire buoni risultati in un campo di regimi di funzionamento ristretto, mentre agli altri regimi perdiamo questi vantaggi. Un modo intuitivo di realizzare un comportamento variabile con il numero di giri consiste nell'utilizzare un impianto di scarico di lunghezza variabile, ma non è pratico da realizzare, né da mantenere in efficienza. Variare l'altezza della luce di scarico, oltre a consentire, entro certi limiti, gli stessi effetti di uno scarico di lunghezza variabile, permette di sfruttare una maggiore corsa del pistone sia per l'espansione che per la compressione, sempreché la tenuta alla pressione del dispositivo che realizza l'altezza variabile sia sufficientemente buona.
Sappiamo già che molti problemi possono essere risolti con l'impiego dell'iniezione elettronica, che è possibile effettuare principalmente in due modi, a seconda della regione del motore interessata dallo spruzzo dell'iniettore: indiretta se l'iniezione avviene nel condotto di aspirazione, oppure nel carter-pompa; diretta se l'iniettore è puntato verso l'interno del cilindro. L'iniezione indiretta, di larghissimo impiego nei motori a 4T, riveste poco interesse nei motori a 2T, visto che non risolve il problema della perdita di combustibile allo scarico causata dal fenomeno del cortocircuito (uscita della carica fresca direttamente allo scarico). Più attraente è invece l'iniezione diretta, dal momento che permette di iniettare il combustibile quando la luce di scarico è chiusa o in procinto di chiudersi.
Altri vantaggi dell'iniezione diretta sono i seguenti:
- Il sistema di iniezione e' completamente chiuso, quindi non si ha evaporazione della benzina nel circuito di alimentazione;
- Il rapporto di compressione puo' essere aumentato rispetto ad un motore a carburatore, così da raggiungere Pme più elevate nel ciclo. Questo è permesso perché l'evaporazione della benzina avviene interamente all'interno del cilindro, con conseguente efficace raffreddamento della carica.
- Con una opportuna ottimizzazione della fluidodinamica interna e dello spray è possibile ottenere una stratificazione della carica in camera di combustione, con miscela opportunamente ricca nei pressi della candela per una facile accensione. Ciò consente un ulteriore aumento del rapporto di compressione grazie alla elevata velocità del fronte di fiamma ed al titolo più povero degli end-gas (i gas lontani dalla candela di accensione, ovvero quelli che determinano la detonazione).
- E' possibile interrompere l'erogazione di combustibile al motore quando non e' richiesta potenza, dotando il sistema di iniezione di un dispositivo (“cut-off”) per l'esclusione della portata di benzina in decelerazione e in moto trascinato. Si accentua in tal modo l'effetto freno motore (se desiderato), sempre piuttosto scarso nei motori a 2T, anche perche' non avendo miscela nel carter e nei condotti l'effetto del “cut-off” e' istantaneo. I vantaggi sul consumo e sulle emissioni inquinanti sono evidenti.
- Il motore ad iniezione puo' funzionare in qualsiasi posizione ed e' insensibile alle accelerazioni ed agli sbattimenti, risultando molto indicato per applicazioni sportive e fuoristrada.
- L'olio che investe l'imbiellaggio e la parte inferiore del pistone non è diluito dalla benzina, per cui ne basta una minore quantità (meno della metà, rispetto ad un analogo motore tradizionale).
- Il contatto del combustibile con le pareti del cilindro, della testa ed il cielo del pistone può essere ridotto, portando un ulteriore vantaggio sulle emissioni di HC (idrocarburi incombusti).

La collocazione del punto di iniezione puo' risultare molto varia:
a) sulla testa,
b) in corrispondenza di un condotto di lavaggio,
c) nella parete del cilindro.

La soluzione a) e' quella piu' adottata grazie alle ottime prestazioni in termini di potenza, consumi ed emissioni inquinanti, ma richiede l'impiego di un iniettore apposito, adatto a resistere alle sollecitazioni della camera di combustione, oppure di una valvola a fungo che occluda il condotto di iniezione durante la fase ad alta pressione.
Nel caso b) bisogna collocare il termine dell'iniezione prima della chiusura del travaso, ovvero molto prima della chiusura della luce di scarico, con conseguente perdita di una certa quantita' di miscela fresca per cortocircuito.
La soluzione c) limita la scelta della fasatura d'iniezione, ma per contro protegge l'iniettore da pressioni e temperature elevate, evitando depositi sullo stesso.
I problemi da risolvere sono i seguenti:
- Cercare di non complicare eccessivamente l'architettura del motore, il quale non deve divenire paragonabile, per quanto riguarda la conplessita' costruttiva, ad un motore a 4T.
- Riuscire ad ottenere nel cilindro la turbolenza necessaria per rendere omogenea la miscela (nel caso non si punti ad ottenere la carica stratificata).
- Fare in modo che la miscela più ricca di combustibile si trovi nei pressi della candela al momento dell'accensione, nel caso di carica stratificata, realizzando nel contempo buone condizioni di microomogeneità della carica.
Possiamo ulteriormente suddividere le precedenti tipologie di iniezione a seconda che siano assistite da un flusso di aria compressa oppure no: nel primo caso abbiamo l'iniezione pneumatica, nella quale l'iniettore è del tipo a bassa pressione e la fine polverizzazione del combustibile è ottenuta appunto mediante l'effetto della velocità dell'aria; nel secondo occorre un iniettore ad alta pressione, pilotato con valori a partire da diverse decine di bar fino ad oltre 100 bar, ed in tal caso parliamo di iniezione liquida o ”solid injection”.
Rispetto ad un 4T, il tempo disponibile nel 2T per l'iniezione risulta minore solo se il nostro obiettivo è la miscela omogenea: mentre nel primo possiamo iniettare a partire dall'inizio della aspirazione, nel 2T dobbiamo attendere la chiusura dello scarico, avendo perciò meno di una corsa per far miscelare l'aria con il carburante. Se invece puntiamo alla carica stratificata (per cui siamo costretti a ritardare l'istante di iniezione) troviamo problematiche simili fra i due schemi costruttivi, salvo che nel 2T abbiamo meno vincoli nel disegno della testa.
Osserviamo infine che l'iniezione diretta del carburante, pur essendo intrinsecamente idonea a dosare il carburante con maggior precisione di quanto permesso dal carburatore, non consente nei 2T di sfruttare questa peculiarita' perche' non e' possibile misurare con precisione la quantita' di aria intrappolata nel cilindro. Infatti il coefficiente di intrappolamento puo' variare nel tempo per diversi motivi (ad esempio, a causa di incrostazioni nel sistema di scarico), quindi non potremo mai determinare con esattezza la quantita' di benzina da iniettare, a meno di non ricorrere a sofisticati controlli in retroazione.
Con il passare del tempo, l'interesse per i sistemi di iniezione a carica omogenea è scemato, a vantaggio di quelli a carica stratificata. I motivi sono molteplici e verranno discussi nell'apposito paragrafo. Questo ha comportato l'abbandono delle soluzioni con iniezione dalle pareti del cilindro in favore di quelle che prevedono l'iniezione dalla testa.
Parallelamente agli studi sui sistemi di alimentazione, procedevano quelli sui sistemi di accensione e sul trattamento dei gas di scarico. Il risultato si è presentato sotto forma di un massiccio impiego di scarichi catalizzati su ciclomotori a 2T, e di qualche esempio di utilizzo dell'accensione ATAC (Active Thermo-Atmosphere Combustion) anche su motoveicoli prodotti in grande serie (scooters Honda a 2T).
Nella figura vediamo un classico esempio di motore 2T (sperimentale) con iniezione diretta dalla testa, dove la temporizzazione di immissione della miscela "ricca" viene effettuata da una valvola a fungo, l'aria compressa necessaria per l'iniezione viene prelevata dal carter-pompa tramite una valvola lamellare e l'iniettore, di tipo automobilistico, è posto subito sopra la valvola di iniezione. Si tratta, per quanto la cosa possa sembrare strana, di un 2T automobilistico "moderno", ovvero pensato per sostituire (in teoria) i motori a 4T nell'autotrazione. In realtà la possibilità di soppiantare il motore a 4T con il 2T nell'autotrazione è ormai tarmontato, rimane però la possibilità di trasformare i 2T motociclistici attuali in motori meno inquinanti e più parchi nei consumi.

ing. McGyver